Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý chất thải vệ sinh

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải.. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm hai nhóm

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới: PGS TS Nguyễn Thị Thu Thuỷ - Giảng viên Viện Khoa học Công nghệ & Môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, PGS TS Cao Thế Hà - Phó giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường & Phát triển Bền vững - Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện Khoa học Công nghệ & Môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội đã đem đến cho tôi những bài giảng quý báu trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn Giám đốc và tập thể cán

bộ thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường & Phát triển Bền vững đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Học viên

Trần Hữu Long

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Các phương pháp xử lý nước thải 3

1.1.1 Phương pháp xử lý cơ học 3

1.1.2 Phương pháp xử lý hoá lý 4

1.1.3 Phương pháp hoá học 5

1.1.4 Phương pháp sinh học 6

1.2 Thành phần vi sinh trong nước thải 7

1.2.1 Vi khuẩn (Bacteria) 7

1.2.2 Nấm (Fungi) 8

1.2.3 Tế bào nguyên sinh (Protozoa) 9

1.3 Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước 9

1.4 Quá trình biến đổi, tăng trưởng và năng lượng cần để hoạt động của vi sinh vật 11

1.4.1 Vai trò quan trọng của Enzim 11

1.4.2 Vai trò của năng lượng 12

1.4.3 Vai trò của chất dinh dưỡng 12

1.4.4 Sự tăng trưởng của vi sinh vật 13

1.4.5 Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng 13

1.4.6 Sự tăng trưởng của vi sinh vật về khối lượng 15

1.4.7 Sự tăng trưởng trong môi trường hỗn hợp 16

1.5 Động học của quá trình xử lý sinh học 16

1.5.1 Chất nền - giới hạn của sự tăng trưởng 16

1.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền 18

1.5.3 Ảnh hưởng của hô hấp nội bào 19

1.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 20

1.6.1 Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên 22

1.6.2 Xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo 29

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 57 2.1 Mục đích nghiên cứu 57

2.2 Đối tượng nghiên cứu 57

2.3 Phương pháp nghiên cứu 60

2.3.1 Phương pháp tổng hợp thống kê phân tích tài liệu 60

2.3.2 Thiết bị Pilot 61

2.3.3 Các thông số được chọn để nghiên cứu 63

2.3.4 Phương pháp thực nghiệm 64

2.3.5 Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước thải 64

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 71

3.1 Chế tạo Pilot 71

3.1.1 Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải 71

3.1.2 Thiết kế Pilot chi tiết 71

3.2 Khảo sát tính chất của nước thải vệ sinh trước khi xử lý 80

3.3 Kết quả phân tích mẫu nước sau hệ thống xử lý 81

3.4 Tính toán thiết kế hệ xử lý nước thải vệ sinh cho sân bay Nội Bài 82

3.4.1 Phương án 1 (tính theo phương trình động học bậc 1) 83

3.4.2 Phương án 2 (tính theo năng suất xử lý của một đơn vị thể tích - năng suất riêng) 85

3.4.3 Phương án 3 87

3.5 Tính toán chi phí xây dựng Pilot 92

Kết luận và kiến nghị 94

Tài liệu tham khảo 96 Phu lục

MỞ ĐẦU

Đất, nước, không khí là ba nhân tố cơ bản và là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất Trong đó nước là một nhân tố vô cùng quan trọng Cuộc sống của chúng ta có thể thiếu điện, thiếu trường học, thiếu hệ thống đường giao thông, nhưng không thể thiếu nước Nước cần cho mọi hoạt động sống của cơ thể, tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào các hoạt động sống của con người như: trong sinh hoạt, sản xuất công - nông nghiệp, dịch vụ, du lịch, giao thông vận tải, Ngoài ra, nước còn tham gia vào các chu trình vật chất trong tự nhiên, nước là môi trường sống của các loài thuỷ sinh vật

Cùng với quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá việc bùng nổ dân số

đã làm cho rừng bị tàn phá, khai thác tài nguyên thiên nhiên bừa bãi, các chất thải từ các nhà máy, xí nghiệp, từ các khu đô thị, từ các phương tiện giao thông vận tải, từ các khu du lịch, Tất cả các yếu tố trên đều là nguyên nhân làm gia tăng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm môi trường bởi các chất thải có nguồn gốc từ các hoạt động sinh hoạt, trong đó có nước thải vệ sinh

Vì vậy, đòi hỏi phải được quan tâm và bảo vệ

Ngày nay, các hoạt động như du lịch, giao thông vận tải (đường thuỷ, bộ, không) ngày càng phát triển, kèm theo sự phát triển đó là các chất thải phát sinh từ các hoạt động trên ngày càng gia tăng, trong đó nước thải vệ sinh từ những nguồn như tàu hoả, tàu thuỷ, xe đường dài, các khu du lịch, hiện còn nhiều bất cập Nước thải sinh hoạt từ các hoạt động này hiện nay chưa được thu gom và xử lý Do đó, cần thiết phải có những biện pháp thu gom và xử lý nhằm hạn chế tối thiểu những tác động của chúng tới môi trường và sức khoẻ con người

Xuất phát từ thực tiễn là hiện nay ở hầu hết các khu du lịch và trên các phương tiện như tầu hoả, tầu thuỷ, xe đường dài, xe Bus, chưa có hệ thống

thu gom và xử lý nước thải vệ sinh Vấn đề đặt ra là làm thế nào để xử lý nước thải vệ sinh trước khi thải ra ngoài môi trường, nhằm hạn chế các tác động tiêu cực đến môi trường và sức khoẻ con người Để góp phần nghiên cứu giải quyết vấn đề này chúng tôi thực hiện đề tài " Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý chất thải vệ sinh" cho luận văn tốt nghiệp với mục đích: Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mô hình xử lý mini trên cơ sở yếm khí - hiếu khí ngập nước để xử lý nước và bùn thải từ các nhà vệ sinh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Các phương pháp xử lý nước thải

1.1.1 Phương pháp xử lý cơ học [5]

Phương pháp này thường là giai đoạn đầu của quá trình xử lý, dùng để loại các tạp chất không tan (mảnh gỗ, gạc, bông, rẻ rách, giấy, vỏ đồ hộp, ) ra khỏi nước Xử lý cơ học gồm những quá trình mà khi nước thải đi qua quá trình đó sẽ không thay đổi tính chất hoá học và sinh học của nó Xử lý cơ học nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo

Các phương pháp cơ học thường dùng là:

- Lọc qua song chắn hoặc lưới chắn: Đây là bước xử lý sơ bộ Mục

đích của quá trình là khử các tạp chất có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho

cả hệ thống Trong xử lý nước thải đô thị, thường dùng các song chắn để lọc nước và dùng máy nghiền nhỏ các vật bị giữ lại Còn trong xử lý nước thải công nghiệp người ta đặt thêm lưới chắn

- Điều hoà lưu lượng: Điều hoà lưu lượng được dùng để duy trì dòng

thải vào gần như không đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý

- Các quá trình lắng: Quá trình lắng được sử dụng để loại các tạp chất

ở dạng huyền phù thô ra khỏi nước Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác động của lực trọng lực Trong hệ thống xử lý nước thải, bể lắng được phân thành:

bể lắng cát, bể lắng cấp I và bể lắng trong (lắng cấp II) Bể lắng cấp I có

nhiệm vụ tách các chất rắn hữu cơ (60 %) và các chất rắn khác, còn bể lắng cấp II có nhiệm vụ tách bùn sinh học ra khỏi nước thải

- Quá trình lọc: Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích

thước nhỏ ra khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại được chúng Người ta tiến hành quá trình tách nhờ vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ pha phân tán lại Quá trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng hoặc áp suất cao trước vách ngăn hay áp suất chân không sau vách ngăn

- Xyclon thuỷ lực và máy ly tâm: Đối với Xyclon thuỷ lực, khi chất lỏng chuyển động quay tròn trong các Xyclon thuỷ lực, lực ly tâm tác dụng lên các hạt rắn làm văng chúng ra thành thiết bị Đối với máy ly tâm (lọc ly tâm và lắng ly tâm): Lọc ly tâm thực hiện nhờ quay tròn huyền phù trong thùng quay, chất lỏng chui qua lưới lọc hoặc vải lọc và các lỗ trên thân thùng

ra ngoài, còn những hạt rắn được giữ lại trên lưới hoặc vải lọc, chúng sẽ được lấy ra ngoài bằng tay hoặc bằng dao cạo Lắng ly tâm là quá trình phân riêng huyền phù nhờ lực thể tích của pha phân tán (các hạt rắn), quá trình này gồm các quá trình vật lý là lắng các hạt rắn (theo nguyên lý của thuỷ động lực) và nén bã

1.1.2 Phương pháp xử lý hoá lý [5].

Các phương pháp hoá lý để xử lý nước thải đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình: Đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, tách bằng màng, điện hoá,

Phương pháp xử lý hoá lý bao gồm:

- Đông tụ và keo tụ: đây là quá trình nhằm loại bỏ các chất ở dạng keo

và hoà tan bằng cách dùng các chất keo tụ và chất trợ keo tụ để liên kết các hạt nhỏ lại thành tập hợp các hạt lớn có thể lắng

- Tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi dùng để tách các tạp chất (ở dạng

rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là không khí) vào trong pha lỏng Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn chất lỏng ban đầu

- Hấp phụ: là quá trình tách các chất bẩn và khí hoà tan ra khỏi nước

thải bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ)

- Trao đổi ion: trao đổi ion là quá trình trong đó các ion trên bề mặt của

chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Đây là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi ion

- Các quá trình tách bằng màng: Dùng các màng xốp đặc biệt không

cho các hạt keo đi qua (tách các chất ra khỏi nước thải)

- Các phương pháp điện hoá: người ta sử dụng các quá trình ô xy hoá

cực anot và khử của catot, đông tụ điện, để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất hoà tan và phân tán Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải

1.1.3 Phương pháp hoá học [5].

Các phương pháp hoá học trong xử lý nước thải gồm có: trung hoà, ô

xy hoá - khử Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hoá học Người ta sử dụng phương pháp này để khử các chất hoà tan trong các hệ thống cấp nước khép kín

- Phương pháp trung hoà: đây là phương pháp dùng để trung hoà nước

thải khi nước thải có tính axít hoặc kiềm

- Phương pháp ô xy hoá- khử: Quá trình ô xy hoá nhằm loại các chất

độc hại có trong nước thải, trong quá trình ô xy hoá, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải Quá trình khử được dùng để tách các hợp chất như thuỷ ngân, asen, crôm, ra khỏi nước thải

1.1.4 Phương pháp sinh học [7].

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá

Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở khác nhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau:

- Phương pháp hiếu khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật

hiếu khí Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp ô xy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 - 400C

- Phương pháp yếm khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật

yếm khí

1.2.Thành phần vi sinh trong nước thải

1.2.1 Vi khuẩn (Bacteria)

Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng đầu tiên trong viêc phân huỷ chất hữu

cơ, nó là cơ thể sống đơn bào, có khả năng phát triển và tăng trưởng trong các bông cặn lơ lửng hoặc dính bám vào bề mặt vật cứng Có rất nhiều loại vi khuẩn không thể chỉ tên và mô tả hết được, loại rễ nhận biết nhất là vi khuẩn Coli phân [3]

Vi khuẩn có khả năng sinh sản rất nhanh, khi tiếp xúc với chất dinh dưỡng có trong nước thải, chúng hấp thụ nhanh thức ăn qua thành tế bào Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm hai nhóm chính:

- Vi khuẩn dị dưỡng (heterophe): nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất

hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển, Có ba loại vi khuẩn dị dưỡng [10]:

+ Vi khuẩn hiếu khí (aerobe): cần ô xy để sống, như quá trình hô hấp ở động vật bậc cao Oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ theo phản ứng:

chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + năng lượng

+ Vi khuẩn kị khí (anaerobe): chúng có thể sống và hoạt động ở điều kiện kị khí (không cần oxy của không khí), mà sử dụng oxy trong những hợp chất nitrat, sulphat để oxy hoá các chất hữu cơ

Chất hữu cơ + NO3- → CO2 + N2 + năng lượng

Chất hữu cơ + SO42- → CO2 + H2S + năng lượng

Tăng sinh khối

vi khuẩn hiếu khí

axít hữu cơ + CO2 + H2O + năng lượng Chất hữu cơ

+ Vi khuẩn tuỳ nghi (facultative): loại này có thể sống trong điều kiện

có hoặc không có oxy tự do Chúng luôn có mặt trong nước thải Năng lượng được giải phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới, một phần thoát ra ở dạng nhiệt

- Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): loại vi khuẩn này có khả năng oxy

hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh, Các phản ứng oxy hoá như sau:

+ Ở Nitrosomonas: 2NH4+ + O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O + năng lượng + Ở Nitrobacter: 2NO2- + O2 → 2NO3- + năng lượng

+ Các vi khuẩn sắt oxy hoá sắt tan trong nước thành sắt không tan

Fe2+ (tan) + O2 → Fe3+ (không tan) + năng lượng + Các vi khuẩn lưu huỳnh có khả năng chịu được pH thấp, oxy hoá H2S thành axít sunfuric (H2SO4) gây ăn mòn đường ống, các công trình xây dựng ngập trong nước

Là một loại vi sinh, phần lớn là dạng lông tơ (filamentous) hoàn toàn khác với các dạng của vi khuẩn, nói chung vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải

Vì có kích thước lớn, tỷ trọng nhẹ vi sinh dạng nấm nếu phát triển mạnh mẽ sẽ kết thành lưới nổi lên mặt nước gây cản trở quá trình lắng ở bể lắng đợt 2 Một số loại nấm gây bệnh về da có thể có trong nước thải[3]

1.2.3 Tế bào nguyên sinh (Protozoa) [3].

Là một loài động vật được đặc trưng bằng một vài giai đoạn hoạt động trong quá trình sống của nó, nguyên sinh động vật là một phần trong tổng số các loại vi sinh có trong nước thải Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là

vi khuẩn cho nên chúng là chất chỉ thị quan trọng chỉ hiệu quả xử lý của các công trình xử lý nước thải

Amíp: là một nguyên sinh động vật gây bệnh kiết lỵ rất khó tiêu diệt bằng quy trình tiệt trùng thông thường vẫn dùng trong các nhà máy xử lý nước thải

Tảo (algae): là một loại thảo mộc sống dưới nước cần có năng lượng ánh sáng mặt trời để phát triển Tảo thường đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy cho hồ xử lý ổn định nước thải thông qua quá trình quang hợp

Ngoài thành phần vi sinh đã nêu trên, nước thải còn có nhiều loại côn trùng, có thể nhìn thấy bằng mắt thường, cũng có tác dụng phân huỷ chất hữu

cơ như giun sán và sâu bọ ở nhiều giai đoạn phát triển của chúng

1.3 Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước [10]

Các sinh vật gây bệnh cho người và động vật, thực vật gồm có vi khuẩn, các loài nấm, virút, động vật nguyên sinh, giun, sán, nhưng chủ yếu là

vi khuẩn và virút Ta thường xếp chung thành một nhóm và gọi là nhóm sinh vật gây bệnh Những tác nhân gây bệnh cho người và động vật qua đường thường là các vi sinh vật gây bệnh đường ruột Đặc điểm của các vi sinh vật

gây bệnh đường ruột là sống ký sinh với tế bào vật chủ, phá vỡ tế bào vật chủ hoặc tiết ra các độc tố làm chết vật chủ

- Vi khuẩn: Những vi khuẩn đường ruột hay gặp trong nước là vi khuẩn

tả Vibrio cholera, vi khuẩn lị Disenteriae - Shigella, vi khuẩn thương hàn và phó thương hàn Samonella typhos và S.paratyphos,…cũng như trực khuẩn đường ruột Escherchia

- Virút: là tác nhân gây bệng cực nhỏ, chỉ nhìn thấy dưới kính hiển vi

điện tử và nó có thể chỉ sinh trưởng trong tế bào sống Một virút được cấu tạo bằng sự liên kết một axit nucleic và một protein, nó có khả năng tách ra một cách hoá học và ngay cả tinh thể hoá Hợp chất cả hai có thể sinh ra virút với tất cả tính chất sinh học Khi một tế bào sống bị tấn công bằng một virut, nó

tự biến đổi nhanh chóng với tính hoàn thiện của nó thành một quần thể hạt với các virut mới sẵn sàng nhiễm bệnh sang tế bào mới

- Các loại vi nấm: Histoplasma sulatim là tác nhân gây bệnh

Histoplasma Trừ những nghiên cứu đặc biệt , người ta chưa biết dịch bệnh có nguồn gốc từ nước do nấm gây ra

- Amíp: chúng có thể sinh sống hơn một tháng trong nước dưới dạng u

nang Tuy nhiên, chúng dễ dàng bị loại bỏ bằng xử lý ôzôn với lượng dư 0,4 mg/l sau 4 phút tiếp xúc Hai loài vận chuyển theo nước gây bệnh cho người là: Entameba histoytica, tác nhân gây bệnh lị nghiêm trọng, đôi khi chết người Negleriagruberi tác nhân gây viêm màng não truyền thống bằng đường nước, nhất là trong các bể bơi

- Động vật nguyên sinh: Giardia lambia là tác nhân gây bệnh viêm dạ

dày-ruột non từ nước cho nhiều người Sự chống đỡ lại thuốc khử trùng rất cao, nhất là dưới dạng kết nang Chúng được loại trừ dễ dàng bằng xử lý kết bông với liều lượng chất phản ứng tối ưu, tiếp theo là lọc nhanh qua cát

- Các loại giun sán: nước có thể vận chuyển nhiều giun kí sinh ở người

và động vật Giun hoặc trứng giun không bị triệt do khử trùng ở liều lượng thuốc thông thường, ngược lại kích thước của chúng nói chung đủ lớn để có thể lọc, loại bỏ nguy cơ ô nhiễm

1.4 Quá trình biến đổi, tăng trưởng và năng lượng cần để hoạt động của

vi sinh vật

- Quá trình biến đổi bao gồm các phản ứng hoá học bên trong tế bào, có hai phản ứng cơ bản trong quá trình biến đổi là phản ứng đồng hoá và phản ứng dị hoá

+ Phản ứng dị hoá: phản ứng bẻ gãy các mạch hữu cơ, phân chia các

phân tử hữu cơ phức tập thành các phân tử đơn giản hơn và kèm theo quá trình là sự giải phóng năng lượng

+ Phản ứng đồng hoá: là phản ứng làm hình hành các phân tử phức tạp

hơn và đòi hỏi cấp năng lượng Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá thường lấy từ năng lượng được giải phóng ra của các phản ứng dị hoá

1.4.1 Vai trò quan trọng của Enzim [3]

Enzim là chất xúc tác hữu cơ do các tế bào sống sinh ra, Enzim là các protein hoặc protein kết hợp với các phân tử vô cơ hoặc các phân tử hữu cơ có trọng lượng thấp Như một chất xúc tác, Enzim có khả năng làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên gấp nhiều lần mà bản thân Enzim không bị thay đổi

Có hai loại Enzim: ngoại tế bào và nội tế bào Khi tế bào cần chất nền hay chất dinh dưỡng mà các chất này không thể tự thấm qua vỏ tế bào được thì Enzim sẽ chuyển hoá các chất này thành dạng hợp chất có thể dễ dàng chuyển vào trong tế bào Enzim nội tế bào là chất xúc tác cho các phản ứng đồng hoá bên trong tế bào Enzim được biết như là một tác nhân phân loại và

chuyển hoá chất nền đến sản phẩm cuối cùng với hiệu suất rất cao Tế bào có thể sản xuất ra các Enzim khác nhau ứng với mỗi loại chất nền khác nhau để

sử dụng chúng và có thể minh hoạ bằng phản ứng sau:

Hoạt động của Enzim chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi trị số pH, nhiệt độ

và nồng độ chất nền, mỗi Enzim có trị số pH, nhiệt độ tối ưu của mình

1.4.2 Vai trò của năng lượng [10].

Cùng với Enzim năng lượng cần thiết cho các phản ứng sinh hoá của tế bào, năng lượng cấp cho tế bào là năng lượng được giải phóng ra từ các phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ hoặc do các phản ứng quang hợp Năng lượng này được thu nhận và tích trữ trong tế bào bằng các hợp chất hữu cơ nhất định và được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào mới Khi chất hữu cơ trong nước thải trở lên ít dần đi thì khối lượng tế bào sẽ bị giảm vì các chất đã được tế bào dùng không được thay thế kịp thời bằng chất mới Nếu tình trạng này kéo dài liên tục tế bào không còn khả năng sinh sản

mà chỉ có đồng hoá các chất hữu cơ đã hấp thụ được để cuối cùng còn lại các

tế bào là những chất hữu cơ tương đối ổn định Quá trình tự giảm sinh khối này gọi là giai đoạn hô hấp nội bào

1.4.3 Vai trò của chất dinh dưỡng [4].

Vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để sống và hoạt động và đòi hỏi một lượng chất dinh dưỡng Nitơ và phốt pho để phát triển, tỷ lệ này thường trong khoảng BOD : N : P = 100 : 5 : 1 Ngoài ra cần một lượng nhỏ các

Tổ hợp Enzim và chất nền

Sản phẩm cuối cùng

nguyên tố khoáng như canxi, magie, sắt, đồng, mangan Các chất này có đủ trong nước thải sinh hoạt

1.4.4 Sự tăng trưởng của vi sinh vật [10].

Vi sinh vật có thể nảy nở thêm nhiều nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản giới tính và nảy mầm nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi Thời gian cần để phân đôi tế bào thường gọi là thời gian sinh sản có thể dao động từ dưới 20 phút đến hết hàng ngày Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường Khi thức ăn cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số tối ưu, việc sinh sản sẽ ngừng lại

1.4.5 Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng [3].

Hình 1.1.Giới thiệu tổng quát quá trình phát triển theo số lượng

của vi khuẩn trong một mẻ nuôi cấy

Hình 1.1 Đường cong biểu diễn các giai đoạn phát triển của vi khuẩn

về số lượng theo thang logarit [3 tr.58]

Giai đoạn

phát triển

chậm

Giai đoạn tăng trưởng theo quy luật logarit

Giai đoạn

Số lượng vi khuẩn sản sinh ra có thể chia làm 4 giai đoạn khác biệt:

- Giai đoạn phát triển chậm: Giai đoạn phát triển chậm thể hiện khoảng thời gian cần thiết để vi khuẩn làm quen với môi trường mới và bắt đầu phân đôi

- Giai đoạn tăng trưởng về số lượng theo Logarit: Trong suốt thời kỳ này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản và khả năng thu nhận và đồng hoá thức ăn

- Giai đoạn phát triển ổn định: ở giai đoạn này số lượng vi khuẩn trong

mẻ quan sát đạt đến số lượng ổn định do vi khuẩn đã ăn hết chất nền, chất dinh dưỡng và số vi khuẩn mới sinh ra vừa đủ bù cho số vi khuẩn già cỗi chết đi

- Giai đoạn vi khuẩn tự chết: trong suốt giai đoạn này tốc độ tự chết của

vi khuẩn vượt xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới Tốc độ chết là hàm số của số lượng tế bào đang sống và đặc tính của môi trường, ở vài trường hợp trị số logarit của số lượng tế bào chết tương đương với trị số logarit của số lượng tế bào sinh ra ở giai đoạn sinh trưởng nhưng có dấu ngược lại

1.4.6 Sự tăng trưởng của vi sinh vật về khối lượng (sinh khối) [10].

Hình 1.2 Giới thiệu tổng quát quá trình phát triển của

vi sinh vật theo khối lượng

Hình 1.2 Đường cong biểu diễn các giai đoạn tăng sinh khối của vi sinh vật

trong mẻ nuôi cấy theo thang logarit [3.tr.59]

Sự tăng sinh khối của vi sinh vật được chia làm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn tăng sinh khối chậm: là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng Giai đoạn tăng sinh khối chậm không dài bằng giai đoạn phát triển chậm của số lượng vi khuẩn bởi vì sinh khối bắt đầu tăng ngay trước khi sự phân chia tế bào xảy ra (tế bào lớn lên rồi mới phân đôi)

- Giai đoạn tăng sinh khối theo logarit: giai đoạn này luôn có thừa thức

ăn bao quanh vi khuẩn và tốc độ trao đổi chất và tăng trưởng của vi khuẩn chỉ phụ thuộc vào khả năng xử lý chất nền của vi khuẩn

Giai đoạn tăng sinh khối chậm

Giai đoạn tăng sinh khối theo logarit

Giai đoạn tăng chậm dần

Giai đoạn hô hấp nội bào

- Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: tốc độ tăng sinh khối giảm dần đi bởi vì sự cạn kiệt dần của các chất dinh dưỡng bao quanh

- Giai đoạn hô hấp nội bào: Vi khuẩn buộc phải thực hiện quá trình trao đổi chất bằng chính các nguyên sinh chất có trong tế bào bởi vì nồng độ các chất dinh dưỡng cấp cho tế bào đã bị cạn kiệt Trong giai đoạn này xảy ra hiện tượng giảm dần sinh khối khi đó các chất dinh dưỡng còn lại trong các tế bào đã chết khuyếch tán ra ngoài để cấp cho các tế bào còn sống

1.4.7 Sự tăng trưởng trong môi trường hỗn hợp [3].

Phần lớn quá trình xử lý sinh hoá xảy ra trong môi trường hỗn hợp gồm nhiều chủng loại vi sinh tác động lên môi trường và có tác động tương hỗ với nhau Mỗi loại vi khuẩn có đường cong sinh trưởng và phát triển riêng, vị trí

và dạng của đường cong tăng trưởng theo thời gian của mỗi loại trong hệ phụ thuộc vào thức ăn và chất dinh dưỡng có sẵn và vào các đặc tính của môi trường như pH, nhiệt độ, điều kiện yếm khí hay hiếu khí,…có nhiều loại vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình ổn định các chất hữu cơ có trong nước thải

1.5 Động học của quá trình xử lý sinh học [10].

Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra có hiệu quả thì phải tạo được các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian,…tốt nhất cho hệ vi sinh Khi các điều kiện trên được đảm bảo quá trình

xử lý diễn ra như sau:

Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp nuôi cấy theo từng mẻ hay nuôi cấy trong các bể có dòng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hoàn chỉnh và liên tục Tốc độ tăng trưởng của các tế bào

vi sinh có thể biểu diễn bằng công thức sau:

r1 =  X (g/m3.s) (1.1) trong đó:

r1: Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, g/m3.s

: Tốc độ tăng trưởng riêng, 1/s

X: Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính, g/m3 = mg/l

Công thức (1) có thể viết dưới dạng: r1 =

dt

dx =  X (1.2)

1.5.1 Chất nền - giới hạn của sự tăng trưởng [3].

Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại Ở trường hợp nuôi cấy trong bể có dòng cấp chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949)

S s K

S

trong đó:

: Tốc độ tăng trưởng riêng, 1/s

m: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, 1/s

S: Nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: Hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l)

Ảnh hưởng của nồng độ chất nền đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Ảnh hưởng của sự hạn chế nồng độ chất nền đến

tốc độ tăng trưởng riêng [3 tr.61]

Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1) ta có:

S s K

mXS

+



1.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền [10].

Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và nuôi cấy trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ổn định Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau:

r1 = - Yrd (1.5) trong đó:

r1: Tốc độ tăng trưởng của tế bào, g/m3.s

Y: Hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (Là tỷ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng Logarit)

rd: Tốc độ sử dụng chất nền, g/m3.s

Từ phương trình (1.4) và (1.5) ta rút ra:

rd =

) (K s S Y

XS m

+



=

S s K

1.5.3 Ảnh hưởng của hô hấp nội bào [3].

Trong các công trình xử lý nước thải không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều có tuổi như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng Logarit mà có một số đang ở giai đoạn chết và giai đoạn sinh trưởng chậm Khi tính toán tốc

độ tăng trưởng của tế bào phải tính toán tổ hợp các hiện tượng này, để tính toán giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỷ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào Quá trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau:

C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + năng lượng (1.7)

113 160

1 1,42

Vi khuẩn

Tế bào

Từ phương trình (1.7) có thể thấy: nếu tất cả tế bào bị oxy hoá hoàn toàn thì lượng COD của các tế bào bằng 1,42 lần nồng độ của tế bào



trong đó:

r1': Tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn, 1/s

Tốc độ tăng trưởng riêng thực sẽ là:

 ' =

S s K

r '1

1.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ [8].

Nhiệt độ nước có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động chuyển hoá của vi sinh vật mà còn có tác động lớn đến quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng các bông cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng công thức:

trong đó: rt: Tốc độ phản ứng ở T0C

r20: Tốc độ phản ứng ở 200C

: Hệ số hoạt động do nhiệt độ

T: Nhiệt độ nước đo bằng 0C

Giá trị  trong quá trình xử lý sinh học dao động từ 1,02 - 1,09 thường lấy 1,04

1.5.5 Các công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền (tốc độ khử BOD) [3].

Trong mô tả đọng học của quá trình xử lý nước thải bằng sinh học rút ra được công thức biểu diễn tốc đội xử lý chất nền bằng khối lượng chất nền giảm đi ở một đơn vị thể tích bể trong một đơn vị thời gian (g/m3.s)

) (

max

S s K Y

KXS

+ , ta có X

d r

=

) (K s S

KXS

là tốc độ sử dụng chất nền tính cho một đơn vị khối lượng (g) bùn hoạt tính trong một đơn vị thời gian

1.6 Mô tả các phương pháp xử lý bằng sinh học [8]

Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử lý nước thải chứa chất hữu

cơ là phương pháp sinh học Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành hai loại chính: Các

quá trình xử lý hiếu khí và các quá trình xử lý yếm khí Trong các hệ thống hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hoá sinh hoá các hợp chất hữu cơ

và vô cơ có thể chuyển hoá sinh học Còn các hệ thống yếm khí không cần cung cấp oxy, vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ thông qua quá trình lên men

Tuỳ theo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và các điều kiện khác như: thành phần, tính chất nước thải, lưu lượng dòng thải, mặt bằng xây dựng, kinh phí cho phép, vị trí địa lý, thuỷ văn của nguồn nước, nơi tiếp nhận nước thải và mức độ cần thiết xử lý nước thải, mà có thể lựa chọn phương pháp khác nhau như xử lý yếm khí, hiếu khí hay lọc sinh học

1.6.1 Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên [8].

Cơ sở của quá trình xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên là dựa vào hoạt động sống của khu hệ vi sinh vật có trong đất, nước mặt để chuyển hoá các chất ô nhiễm

1.6.1.1 Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc.

Cánh đồng lọc hay bãi lọc là một khu đất trống dùng để xử lý hoặc chứa nước thải khi cần thiết

Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm không quá cao (BOD5 < 300mg/l),

có thể dầu cặn lơ lửng được dẫn vào các ô lọc Ở đây, nước thải thấm qua lớp đất mặt, nhờ quá trình lọc cơ học, cặn sẽ được giữ lại Khu hệ vi sinh vật ở lớp đất mặt chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện cùng với xạ khuẩn có trong đất sẽ ôxy hoá các chất ô nhiễm nhờ lượng ôxy có trong các mao quản đất Ở lớp đất sâu, lượng ôxy trong các mao quản đất giảm dần, tốc

độ ôxy hoá cũng giảm rõ rệt Đến một độ sâu nhất định điều kiện yếm khí tồn tại sẽ diễn ra quá trình khử nitrat

Tuỳ theo tính chất thổ nhưỡng mà quá trình xử lý nước thải ở lớp đất mặt

có thể đạt tới độ sâu khác nhau Thông thường có thể tới 1,5m Để đảm bảo hiệu quả kinh tế và vệ sinh môi trường, khi thiết kế một cánh đồng lọc cần chú ý các yêu cầu sau:

- Cánh đồng lọc nên được chọn ở nơi đất cát hoặc pha cát, có diện tích rộng, hiệu quả canh tác thấp

- Điểm xây dựng cánh đồng lọc cần có độ dốc tự nhiên 0,02; cách xa khu dân cư và ở cuối hướng gió Tuỳ theo công suất của bãi lọc mà khoảng cách

an toàn với khu dân cư từ 200 - 1.000m

- Cánh đồng lọc nên xa khu vực có nước ngầm đang khai thác, tránh ô nhiễm nước ngầm

Diện tích bãi lọc có thể tính theo công thức:

Tổng diện tích cánh đồng lọc: F = FL + k.FL (1.15)

k là hệ số diện tích phụ (k thường có giá trị 0,15 - 0,25)

Nước thải được dẫn vào các ô lọc nhờ hệ thống mương phân phối hở Với nước thải công nghiệp, khi cần phải tách dầu mỡ trước khi vào bãi lọc Nước thấm ngấm qua lớp đất được làm sạch chảy vào mương tiêu hoặc ống thu gom đặt ở độ sâu thích hợp có độ dốc tối thiểu 0,002, vận tốc dòng trong ống 0,2 - 0,25 m/s Với mương phân phối lộ thiên ở những nơi đất cát, pha cát cần gia cố thêm sỏi, đất hoặc lát cỏ

1.6.1.2 Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới

Cánh đồng tưới hoạt động theo nguyên tắc kết hợp: Xử lý nước thải kết hợp canh tác nông nghiệp Tuỳ theo đặc điểm thổ nhưỡng, tính chất nước thải, khả năng thoát nước và loại cây trồng canh tác mà lựa chọn và thiết kế cánh đồng tưới cho phù hợp

Ngoài những yếu tố phải đáp ứng cánh đồng lọc, khi quy hoạch và thiết

kế cánh đồng tưới cần quan tâm đến những yếu tố sau:

- Lưu lượng nước thải trung bình cần tưới trên 1 ha trong một thời gian nhất định (thường là 1 năm)

- Tiêu chuẩn tưới - bón cho mỗi loại cây trồng trong 1 vụ

- Tiêu chuẩn tưới 1 lần (lượng nước tưới cho 1 lần)

Năng lực lọc được xác định: Q1 =

t

T o

q

.



(m3/ha.ngày đêm) (1.16)trong đó: qo: Tiêu chuẩn tưới - m3/ha.ngày đêm

T: Thời gian giữa các lần tưới - h

α : Hệ số thất thoát do thấm, bay hơi và quang hợp (0,3 - 0,5) t: Thời gian tiêu nước từ các ô (t = 0,4 - 0,5 T)

Trong quá trình hoạt động, vấn đề vệ sinh môi trường là yếu tố quan trọng cần thường xuyên được giám sát chặt chẽ

Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới đạt hiệu quả cao: BOD5 có thể đạt tới 10 - 15 mg/l, hàm lượng vi sinh vật có thể giảm tới 99,9 %

1.6.1.3 Xử lý nước thải bằng hồ sinh học

Hồ sinh học là dạng xử lý trong điều kiện tự nhiên được áp dụng rộng rãi hơn cả vì ngoài chức năng xử lý nước, hồ còn đem lại những tiện ích khác như: Kết hợp nuôi trồng thuỷ sản, tạo nguồn nước cho tưới tiêu và điều hoà dòng thải, điều hoà vi khí hậu trong khu vực

Theo nguyên tắc hoạt động của hồ và cơ chế phân giải các chất ô nhiễm

mà người ta phân biệt 3 loại hồ: hồ hiếu khí, hồ yếm khí và hồ tuỳ tiện (yếm - hiếu khí)

* Xử lý nước thải bằng hồ hiếu khí [8]:

Hồ hiếu khí làm sạch nước thải bằng quá trình ôxy hoá nhờ các vi sinh vật hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện có trong nước

Nhu cầu ôxy cho quá trình ôxy hoá được đáp ứng nhờ khuyếch tán bề mặt hoặc làm thoáng nhân tạo ở hồ làm thoàn tự nhiên đảm bảo nhu cầu ôxy cho quá trình ôxy hoá, lớp trong hồ nên giới hạn ở mức 0,6 - 1,2 m Diện tích

hồ cần thiết để đảm bảo thời gian và hiệu quả ôxy hoá hữu hiệu được tính

H

t Q.

trong đó: Q - lưu lượng nước thải cần xử lý, m3/ngày đêm

t - thời gian lưu của nước, ngày

H - Độ sâu của lớp nước trong hồ, m

Thời gian lưu phị thuộc vào BOD dòng vào và năng lực ôxy hoá của hồ Thời gian lưu của nước thải biến động trong khoảng 3 - 12 ngày

Khi quy hoạch thiết kế 1 hồ kỵ khí cần chú ý những yêu cầu quy hoạch sau: - Để đảm bảo yêu cầu yếm khí cao và giữ nhiệt vào mùa đông, hồ yếm khí cần có độ sâu lớn (> 2,5m)

- Dung tích hồ phụ thuộc vào hàm lượng các chất ô nhiễm, thời gian lưu của nước và nhiệt độ xử lý

- Hồ phải được quy hoạch xa khu dân cư (1500 - 2000m) và nhất thiết không ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt và nước ngầm trong khu vực

- Hồ yếm khí nên được thiết kế thành các đơn nguyên để thuận tiện và đảm bảo hệ thống làm việc liên tục khi phải xả bùn, cặn trong hồ

- Cửa tiếp nhận nước vào hồ nên đặt chìm, ở vị trí thích hợp để đảm bảo phân bố đều nước thải vào hồ

Thời gian lưu của nước thải trong hồ kỵ khí biên động rất lớn từ 5 - 50 ngày Tải trọng BOD có thể đạt tới 280 - 1500 kg/ha ngày đêm Tuy nhiên hiệu suất chuyển hoá thông thường chỉ đạt 50 -80%

* Xử lý nước thải bằng hồ tuỳ tiện [8]

Hồ tuỳ tiện còn được gọi là hồ hiếu - kỵ thí (hồ facultative) Hầu hết các

hồ tự nhiên hoạt động theo nguyên tắc trên

- Hồ tuỳ tiện thường có độ sâu trung bình từ 1,5 - 2,0 m Dưới tác dụng của khu hệ vi sinh vật rất đa dạng trong nước gồm: các vi khuẩn yếm khí hiếu khí, thuỷ nấm, tảo và nguyên sinh vật

- Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hồ chỉ ra trên hình 4 Trong hồ thường xuyên xảy ra đồng thời 04 quá trình:

+ Quá trình phân giải yếm khí xảy ra ở lớp bùn đáy và lớp nước sâu Cặn lắng các chất hữu có khó hoặc chậm phân giải được chuyển hoá yếm khí, tạo

ra các sản phẩm trung gian (rượu, axít hữu cơ, các chất trung tính khác và các chất khí: CO2, H2, H2S, NH3 ) Ở vùng yếm khí còn xảy ra quá trình khử nitrat nhờ một số vi khuẩn tự dưỡng hoá năng

+ Quá trình oxy hoá hiếu khí xảy ra ở vùng hiếu khí (lớp nước mặt và tầng trung gian) Dưới tác dụng của vi khuẩn hiếu khí và hô hấp tuỳ tiện các sản phẩm phân giải yếm khí như các axit hữu cơ, rượu, andehit, axit amin sẽ được oxy hoá hoàn toàn

+ Quá trình quang hợp xảy ra trên lớp nước mặt nhờ tảo và một số thực vật hạ đẳng: CO2 sinh ra do phân giải yếm khí và oxy hoá hiếu khí sẽ được tảo

và một số thuỷ thực vật hạ đẳng chuyển hoá bằng quá trình tự dưỡng quang năng Quá trình này còn tạo ra một lượng đáng kể O2 cung cấp cho quá trình oxy hoá hiếu khí trên lớp nước mặt nhất là vào những ngày lượng bức xạ mặt trời cao Tuy nhiên để đảm bảo cân bằng sinh thái trong hồ tuỳ tiện, hàm lượng tảo không được vượt quá 100 mg/l, tránh hiện tượng bùng nổ tảo

+ Quá trình tiêu thụ sinh khối tảo: Khi hàm lượng N và P trong nước thải cần xử lý cao, tảo sẽ phát triển mạnh Nếu không được tiêu thụ, sinh khối tảo

sẽ bị tích luỹ, tự huỷ gây ô nhiễm thứ cấp Tạo lập lại cân bằng sinh thái ở những hồ có hiện tượng bùng nổ tảo rất khó khăn Các sinh vật tiêu thụ tảo có thể là các nguyên sinh vật (Protozoa) hoặc các động vật hạ đẳng

Bảng 1.1 Một số thông số trong sử dụng các loại hồ

Các thông số Hồ hiếu khí Hồ tuỳ tiện Hồ kỵ khí

BOD đầu vào (g/m3) < 300  300 > 1800

Tải trọng BOD, kg/ha.ngày 110 - 220 22 - 55 280 - 1500

Vùng hiếu khí

Hình 1.4 Sơ đồ các quá trình chuyển hoá trong hồ tuỳ tiện

1.6.2 Xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo [8].

1.6.2.1 Các quá trình xử lý hiếu khí

* Cơ chế phân giải hiếu khí:

Bản chất là quá trình oxy hoá Các vi sinh vật sử dụng oxy để oxy hoá các hợp chất hữu cơ và các hợp chất vô cơ có thể chuyển hoá sinh học được

có trong nước thải, đồng thời chính các vi sinh vật sử dụng một phần hữu cơ

và năng lượng khai thác được từ quá trình oxy hoá để tổng hợp nên sinh khối của chúng Dưới tác dụng của các vi sinh vật hô hấp hiếu khí, các chất ô nhiễm được ôxy hoá hoàn toàn Các quá trình ôxy hoá gồm:

- Ô xy hoá các hợp chất hữu cơ không chứa nitơ (gluxit, hydrocacbon, pectin, các chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ khác, )

3) O2 => x CO2 +

2 3

−

Y H2O

- Quá trình tự huỷ của bùn:

Trong quá trình làm sạch nước, bùn hoạt tính cũng thường xuyên tự đổi mới (thời gian thế hệ của vi khuẩn biến động từ 20 -60 phút)

Cơ chế tự huỷ (hô hấp nội bào) cũng là một quá trình khử amin bằng ô xy hoá

C5H7NO2 + 5O2 => 5CO2 + NH3 + 2H2O + E

Bùn hoạt tính thường chứa trên 20 chủng vi khuẩn khác nhau, tuy nhiên trong đó một số chủng chiếm đa số, chúng gồm:

- Một số vi khuẩn hô hấp hiếu khí như: Aerobacter, Bacillus,

Pseudomonas, Zooglacea, Flavobacterium, Alcaligennes

- Một số vi khuẩn hô hấp tùy tiện như: Cellulomonas biazolea,

Rhodopseudomonas palustries, Nitrosomonas spec,

Ngoài ra một số vi khuẩn dạng sợi thường có mặt trong bùn hoạt tính như Sphoerotolus, Thiothrix, Microthrix Các nhóm nguyên sinh vật có ý nghĩa trong xử lý hiếu khí chủ yếu thuộc hai nhóm Ciliate và Flagellatae

* Các yếu tố ảnh hưởng.

- Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ

+ Ảnh hưởng của độ pH: Các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí có thể hoạt động được trong dải pH khá rộng từ 5 - 9 Tuy nhiên pH tối ưu trong khoảng 6,5 - 8,5 Nước thải có pH ngoài ngưỡng cho phép được điều chỉnh trong bể điều hòa

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ: Trong xử lý sinh học, nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định vận tốc của phản ứng oxy hóa, các quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Với đa số vi sinh vật, nhiệt độ trong các

hệ thống xử lý có thể biến động từ 16 - 370C, nhiệt độ tối ưu: 25 - 300C Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng sinh học thể hiện qua biểu thức:

RT = R20 QT-20Trong đó: RT, R20: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ xử lý và ở 200C

Q: Hệ số nhiệt độ (có giá trị từ 1,00 - 1,04) T: Nhiệt độ xử lý, 0C

- Ảnh hưởng của thành phần và nguồn dinh dưỡng

Để duy trì sự phát triển của vi sinh vật, đảm bảo quá trình làm sạch nước thải cần đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của vi sinh vật Các nguyên tố ảnh hưởng quyết định tới quá trình oxy hóa là C, N và P Thành phần dinh dưỡng phụ thuộc nhiều vào bản chất các chất ô nhiễm có trong nước thải Thực nghiệm cho thấy tỉ lệ C:N:P tối ưu là 100:5:1 Các nguyên tố khoáng và vi lượng thường có sẵn trong nước Do đặc trưng công nghệ, một số loại nước thải công nghiệp nghèo N và P Sự thiếu hụt này sẽ kìm hãm sự phát triển của một số vi sinh vật có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa

Thiếu N và P trong thời gian dài là một trong những nguyên nhân làm thay đổi tương tác giữa các nhóm vi khuẩn có trong bùn hoạt tính Các vi khuẩn dạng sợi phát triển mạnh làm bùn xốp (>200mm) Hiện tượng này được gọi là sự phồng lên của bùn Bùn sẽ xốp, khó lắng Chỉ số thể tích lắng tăng gây khó khăn cho quá trình tách bùn ở bể lắng thứ cấp

- Ảnh hưởng của các chất độc đối với vi sinh vật

Các chất độc hữu cơ, vô cơ, nhất là các ion kim loại nặng, các ion halogen có khẳ năng ức chế thậm chí vô hoạt hệ enzim oxy hóa khử ở vi sinh vật Vì vậy cần kiểm tra và đảm bảo hàm lượng của chúng không quá giới hạn cho phép

Ví dụ: Các kim loại nặng ≤ 2mg/l

Phenol và hợp chất chứa phenol < 140mg/l Các muối xyanua < 60mg/l

- Ảnh hưởng của độ oxy hòa tan

Để thực hiện quá trình oxy hóa, vi sinh vật cần O2 dưới dạng oxy hòa tan Trong các hệ thống xử lý hiếu khí, O2 được cung cấp liên tục để đáp ứng nhu cầu oxy cho quá trình oxy hóa

Thiếu O2 hòa tan cũng là một trong những nguyên nhân làm phồng bùn

do vi khuẩn dạng sợi phát triển Việc cung cấp O2 còn có tác dụng tạo ra độ đồng chất trong thiết bị, làm rã các khối bông lớn, giảm các "điểm chết" trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước trong

hệ thống xử lý

Hiệu suất sử dụng O2 trong thiết bị xử lý phụ thuộc không chỉ vào phương thức cấp khí (Công suất thiết bị, áp lực nén, đặc trưng của hệ thống phân phối khí, chiều cao lớp nước) mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất

nước thải, tỷ số F/M (nguồn dinh dưỡng - Food và lượng sinh khối - Microorganismens), tốc độ sinh trưởng, đặc trưng hình thái và sinh lý vi sinh vật

Để đảm bảo tốc độ oxy hóa, độ oxy hòa tan cần đạt ít nhất là 4mg/l Theo Edeline, nhu cầu oxy ở các bể Aeroten còn phụ thuộc tải trọng của hệ thống xử lý

Bảng 1.2 Nhu cầu oxy ở các tải trọng khác nhau

Tải trọng Tải trọng riêng, kgBOD/kg

SK.ngày

Tải trọng khối kgBOD/m 3 ngày

Nhu cầu O 2 , kgO 2 /kgBOD

Nhu cầu không khí

m3/kgBOD

Nhu cầu năng lượng kWh/kgBOD

- Xử lý hiếu khí bằng hệ thống ôxy hóa (bể Aeroten)

Trong bể aeroten, vi sinh vật tồn tại dưới dạng huyền phù lơ lửng Bùn thường có màu vàng - nâu Kích thước bông bùn lắng tốt thường từ 50 - 200mm Chỉ số thể tích bùn (SVI = Sludge Volume Index) tối ưu là 80 - 150 ml/g

a Sơ đồ hệ thống Aeroten thông thường

Hệ thống Aeroten thông thường gồm: song chắn rác, bể điều hóa và lắng

sơ cấp, bể Aeroten, bể lắng thứ cấp, bơm tuần hoàn bùn và bể xử lý bùn (hoặc thiết bị tách bùn)

trong đó: 1 Song chắn rác 2 Bể điều hoà và lắng sơ cấp

3 Bể Aeroten 4 Bể lắng thứ cấp

5 Bơm tuần hoàn bùn 6 Bể xử lý bùn

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống Aecrtoen thông thường

+ Nước thải được chuyển vào bể Aeroten (3), ở đây các chất ô nhiễm được oxy hóa bởi bùn hoạt tính Không khí được cấp liên tục vào bể qua hệ thống phân phối dưới đáy thiết bị

+ Hỗn hợp nước thải đã được xử lý và bùn hoạt tính đi vào bể lắng thứ cấp (4) Nước sau khi được tách bùn thoát ra ở phần trên của bể (7), bùn lắng

ở đáy thiết bị được bơm bùn (5) dẫn vào bể xử lý bùn (6) hoặc thiết bị tách bùn Một phần được tuần hoàn trở lại bể Aeroten để duy trì hàm lượng bùn trong bể Aeroten

b Một số thông số quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống

Aeroten

+ Thời gian lưu của nước thải (0),h

Thời gian lưu của nước thải là đại lượng biểu thị thời gian được cấp khí trong hệ thống Aeroten

Thời gian lưu được tính bằng biểu thức:

( ) h

k Z X

S S n

+ Chỉ số thể tích lắng của bùn (SVI), ml/g

SVI là đại lượng biểu thị thể tích lắng của 1g bùn hoạt tính khô

SVI được tính bằng biểu thức

g ml X

V SVI= L 1000 , /trong đó: X: Hàm lượng bùn trong bể Aeroten, mg/l

VL: Dung tích lắng của bùn tươi sau 30 phút Cách xác định dung tích lắng (V1): Lấy 1 lít hỗn hợp nước thải có bùn trong bể Aeroten vào ống đong hình trụ 1 lít Để lắng trong thời gian 30 phút

Đo dung tích lắng của bùn hoạt tính Thông thường SVI tối ưu biến động từ

80 - 150ml/g

+ Dung tích hoạt động của bể Aeroten - VA (m3)

Dung tích hoạt động của bể Aeroten được tính theo biểu thức:

n: thời gian lưu của nước trong bể Aeroten, giờ

Thông thường dung tích xây dựng phải lớn hơn dung tích hoạt động

3 ' ' '

,

10 m

I I

A

xd = ++ Tải trọng riêng - TR

( )

24 A f

R V

V X

S S

T = −