Đánh giá khả năng xử lý nước thải chế biến thủy sản trên mô hình uasb và mô hình af

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT • BOD Biochemical Oxygen Demand: nhu cầu oxy sinh hoá • COD Chemical Oxygen Demand: nhu cầu oxy hoá học • HCOD: hiệu quả xử lý COD • SS Suspended Solid: chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗

NGUYỄN THỊ NAM CHI

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THUỶ SẢN

TRÊN MÔ HÌNH UASB VÀ MÔ HÌNH AF

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ : 60 85 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - THÁNG 11- 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …… tháng…….năm 2007

Tp HCM, ngày……….tháng……….năm………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:Nguyễn Thị Nam Chi Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1981 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường

Khoá (năm trúng tuyển): 2005

1 TÊN ĐỀ TÀI

Đánh giá khả năng xử lý nước thải chế biến thuỷ sản trên mô hình UASB và mô

hình AF

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Khảo sát tình hình chế biến thuỷ sản trong nước và hiện trạng ô nhiễm môi

trường do nước thải chế biến thuỷ sản gây ra

- Phân tích lựa chọn công nghệ xử lý nước thải

- Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chế biến thuỷ sản trên mô hình UASB

và mô hình AF

- Xác định thông số thiết kế

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/05/2007

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/11/2007

5 HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sỹ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cám ơn chân thành đến thầy Đặng Viết Hùng đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn cao học này

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô Khoa Môi trường, Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn các anh, chị, các bạn làm việc tại phòng thí nghiệm Khoa Môi Trường đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi thực hiện hoàn tất luận văn này

Tôi xin gởi lời cám ơn chân thành đến các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên Khoa Môi trường khoá 2005 đã nhiệt tình giúp đỡ và cùng tôi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm cho luận văn này tại phòng thí nghiệm

Cuối cùng, xin chia sẻ niềm vinh dự này cùng gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

NGUYỄN THỊ NAM CHI

TÓM TẮT

Ngành cơng nghiệp chế biến thủy sản đang được khuyến khích phát triển mạnh

do giá trị xuất khẩu cao Tuy nhiên do chưa được quan tâm đúng mức nên đã gây ơ nhiễm trầm trọng đến mơi trường bởi các chỉ tiêu COD, BOD5, N, P

Nghiên cứu chủ yếu của luận văn này nhằm vào mục đích đánh giá hiệu quả

xử lý của quá trình xử lý kỵ khi giữa hai bể UASB và AF, nhằm gĩp phần vào việc xử

lý nhằm làm giảm mức độ ơ nhiễm của nước thải chế biến thuỷ sản

Thí nghiệm được tiến hành trên 02 mơ hình UASB và AF, trong đĩ mơ hình AF gồm 02 giai đoạn: Giai đoạn thứ 1 nhằm xác định lượng vật liệu lọc polymer cần thiết được tiến hành trên 05 mơ hình bằng nhựa thể tích 10 lít và giai đoạn thứ 2 được tiến hành trên bình nhựa thể tích 20 lít

Kết quả nghiên cứu mơ hình AF cho thấy trong giai đoạn 1, mơ hình 2 với diện tích bề mặt của vật liệu là 0,14 m2, thời gian lưu nước 1 ngày cho hiệu quả xử lý COD cao nhất ở các tải trọng Ứng với thời gian lưu nước 1 ngày, hiệu quả xử lý trên mơ hình AF động cho hiệu suất khá cao (86,3 – 77,3%) ở các tải trọng 1,2 – 2,0 kg COD/m3 ngày nhưng giảm mạnh ở các tải trọng 4,0 – 6,0 kg COD/m3.ngày

Mơ hình UASB cho hiệu quả xử lý COD cao nhất 75% ứng với thời gian lưu nước 1 ngày, tải trọng phản ứng đạt 2,0 kg COD/m3.ngày Tuy nhiên hiệu quả xử lý trên mơ hình UASB vẫn thấp hơn so với mơ hình AF ở tất cả các tải trọng nghiên cứu trong điều kiện thời gian nghiên cứu

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

Chương 1 MỞ ĐẦU 7

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 7

1.2 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 7

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 8

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 8

1.5 NỘI DUNG ĐÊ TÀI 8

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

1.7 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 9

Chương 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 10

2.1 THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI THỦY SẢN 10

2.1.1 Công nghệ sản xuất ngành chế biến thủy sản 10

2.1.2 Thành phần và tính chất chung của nước thải chế biến thủy sản 14

2.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN 14

2.3 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỊ KHÍ UASB VÀ AF 19

2.3.1 Quá trình phân hủy kị khí 19

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kị khí 21

2.3.3 Quá trình xử lý kị khí UASB 23

2.3.4 Quá trình xử lý kị khí AF 26

2.3.5 Ảnh hưởng của amonia trong quá trình lọc kị khí 37

2.4 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỊ KHÍ UASB VÀ AF 38

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

3.1 TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 41

3.2 MÔ HÌNH AF (ANAEROBIC FILTER) 41

3.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 41

3.2.2 Đối tượng nghiên cứu 41

3.2.3 Mô hình nghiên cứu 41

3.3 MÔ HÌNH UASB (UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BLANKET) 44

3.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 44

3.3.2 Đối tượng nghiên cứu 45

3.3.3 Mô hình nghiên cứu 45

3.3.4 Chuẩn bị thí nghiệm 46

3.3.5 Trình tự thí nghiệm 46

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 47

4.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH AF 47

4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH UASB 57

4.3 SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ GIỮA MÔ HÌNH UASB VÀ MÔ HÌNH AF 66 Chương 5 KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản 16

Bảng 3.1: Tính chất nước thải thủy sản trong nghiên cứu 41

Bảng 4.1: Xác định lượng vật liệu lọc thích hợp 48

Bảng 4.2: Sự biến thiên pH tại các tải trọng 49

Bảng 4.3: Sự biến thiên nồng độ COD tại các tải trọng 51

Bảng 4.4: Sự biến thiên hàm lượng N-NH 3 tại các tải trọng 53

Bảng 4.5: Sự biến thiên hàm lượng photpho tại các tải trọng 54

Bảng 4.6: Sự biến thiên hàm lượng VFA tại các tải trọng 56

Bảng 4.7: Sự biến thiên pH tại các tải trọng 58

Bảng 4.8: Sự biến thiên nồng độ COD tại các tải trọng 60

Bảng 4.9: Sự biến thiên hàm lượng N-NH 3 tại các tải trọng 62

Bảng 4.10: Sự biến thiên hàm lượng photpho tại các tải trọng 63

Bảng 4.11: Sự biến thiên VFA tại các tải trọng 64

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chung chế biến thuỷ hải sản 10

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình chung chế biến tôm sú 11

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình chung chế biến mực 12

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình chung chế biến cá 13

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản 18

Hình 2.6 Cấu tạo màng vi sinh 27

Hình 2.7 Hoạt động của màng vi sinh 29

Hình 2.8 Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh 30

Hình 2.9 Cân bằng axit – bazơ và khả năng đệm của quá trình biến đổi kỵ khí 38

Hình 3.1 Mô hình lọc kỵ khí tĩnh xác định lượng vật liệu lọc thích hợp 42

Hình 3.2 Mô hình lọc kỵ khí động 43

Hình 3.3 Mô hình bể UASB 45

Hình 4.1 Biểu đồ xác định lượng vật liệu lọc thích hợp cho quá trình lọc kị khí 48

Hình 4.2 Sự biến thiên pH tại các tải trọng 49

Hình 4.3 Sự biến thiên COD tại các tải trọng 52

Hình 4.4 Sự biến thiên N-NH 3 tại các tải trọng 53

Hình 4.5 Sự biến thiên photphot tại các tải trọng 55

Hình 4.6 Sự biến thiên VFA tại các tải trọng 56

Hình 4.7 Sự biến thiên pH tại các tải trọng 58

Hình 4.8 Sự biến thiên nồng độ COD tại các tải trọng 60

Hình 4.9 Sự biến thiên hàm lượng N-NH 3 tại các tải trọng 62

Hình 4.10 Sự biến thiên hàm lượng photpho tại các tải trọng 54

Hình 4.11 Sự biến thiên VFA tại các tải trọng 55 Hình 4.12 Hiệu quả xử lý COD trên mô hình UASB và mô hình AF 66 Hình 4.13 Hiệu quả xử lý VFA trên mô hình UASB và mô hình AF 67

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

• BOD (Biochemical Oxygen Demand): nhu cầu oxy sinh hoá

• COD (Chemical Oxygen Demand): nhu cầu oxy hoá học

• H(COD): hiệu quả xử lý COD

• SS (Suspended Solid): chất rắn lơ lửng

• VFA (Volatile Fatty Acid) : axit béo bay hơi

• N-NH 3 : hàm lượng NH3 có trong nước thải

• Photpho: Hàm lượng photpho có trong nước thải

• F/M (Food-Microganism ratio): tỉ lệ thức ăn cho vi sinh vật

• UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): bể UASB

• AF (Anaerobic filter) : bể lọc sinh học kỵ khí

• MH AF : Mô hình lọc sinh học kị khí

• MH UASB : Mô hình UASB

• HRT: Thời gian lưu nước

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành chế biến thủy sản đang đứng trước nguy cơ làm suy thoái môi trường, ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ con người

Nước thải thuỷ sản là dòng nước thải với thành phần chủ yếu là chất thải hữu cơ

có nguồn gốc từ động vật và có thành phần chủ yếu là protêin và chất béo Nước thải thủy sản có nồng độ nitơ, photpho rất cao, nếu không được quan tâm xử lý đúng mức

và thải vào môi trường có thể là nguồn dinh dưỡng kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo,… gây nên hiện tượng phú dưỡng hoá, gây ra sự thiếu hụt oxy hoà tan trong nước; NH3 hoà tan với nồng độ > 0,2 mg/l đã có thể gây chết cho nhiều loài cá và thủy sinh vật và là nguồn chất độc đối với hệ sinh thái xung quanh

Như vậy việc tìm kiếm giải pháp cho việc xử lý nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cũng như xử lý nitơ, photpho ở điều kiện cụ thể của Việt Nam là một đòi hỏi cấp bách nhằm ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản hiện nay sao cho thoả mãn điều kiện kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi trường

Phương pháp xử lý sinh học được ứng dụng thành công ở các công trình trong và ngoài nước Quá trình này bao gồm 2 giai đoạn đó là xử lý kị khí và xử lý hiếu khí

Bể xử lý kị khí UASB và AF là những công nghệ kị khí được áp dụng để xử lý nước thải chế biến thủy sản với khả năng làm giảm nhanh nồng độ chất hữu cơ, đem lại hiệu quả tốt cho quá trình khử COD và các chất ô nhiễm khác

1.2 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Môi trường ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống con người và con người cũng tác động không nhỏ đến môi trường Trong lịch sự phát triển của loài người chưa bao giờ môi trường và điều kiện sống lại được quan tâm như những năm gần đây Vấn đề môi trường cũng đang thực sự chiếm ưu thế quan trọng trong chương trình hội nghị về chính trị và kinh tế trên thế giới trong những thập kỷ sắp tới Đây là một trong những vấn đề hàng đầu mà hầu hết các nước trên thế giới đều quan tâm và tập trung giải

quyết nhằm cân bằng hệ sinh thái, bảo vệ môi trường sống trong lành cho con người trên trái đất

Cũng như các nước mới phát triển khác, ở Việt Nam nền kinh tế thị trường là động lực thúc đẩy phát triển các ngành công nghiệp và các thành phần kinh tế khác trong đó có ngành chế biến lương thực – thực phẩm Ngành công nghiệp này rất đa dạng và phong phú, sản phẩm chế biến bao gồm: thịt, thủy sản, rau quả, đồ hộp, dầu thực vật, ngũ cốc các loại, gạo, bột mì, nước chấm, đường, sữa, bánh kẹo, nước giải khát, rượu, bia,…Ngành công nghiệp này chiếm vị trí hàng đầu trong các ngành công nghiệp cả nước, đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh phía Nam

Bên cạnh việc phát triển tạo ra những sản phẩm có giá trị phục vụ trong nước và xuất khẩu, ngành công nghiệp này đã thải ra môi trường một lượng chất thải lớn gây ô nhiễm môi trường Phần lớn các thiết bị công nghệ của ngành chưa được hiện đại hóa hoàn toàn và chưa có quy trình công nghệ xử lý nước thải triệt để cho từng loại công nghiệp, vì vậy môi trường bị ô nhiễm trầm trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống con người Vì thế, giải quyết vấn đề môi trường do nước thải ngành chế biến thủy sản đông lạnh là một việc làm cần thiết và cấp bách để giảm thiểu các tác động trước mắt

và lâu dài, đem lại hiệu quả kinh tế và phát triển bền vững môi trường

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của luận văn là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản giữa

mô hình UASB và mô hình AF

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chế biến thuỷ sản

- Phạm vi nghiên cứu: Nội dung đề tài chỉ đề cập đến việc nghiên cứu nhằm xác định hiệu quả xử lý nước thải thuỷ sản trên hai mô hình UASB và mô hình AF, các điều kiện thích hợp trên mô hình phòng thí nghiệm

1.5 NỘI DUNG ĐÊ TÀI

1) Tổng quan về công nghệ xử lý kị khí UASB và AF

2) Xác định thành phần, tính chất nước thải cần nghiên cứu

Xác định thành phần nước thải: tiến hành lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu pH, COD, N-NH3, Photpho, SS, VFA

3) Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả xử lý của bể UASB và AF trên mô hình thí nghiệm

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập dữ liệu

- Lắp đặt mô hình

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

1.7 TÍNH KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

- Xác định hiệu quả của quá trình kỵ khí đối với nước thải chế biến thuỷ sản trên mô hình AF

- Xác định hiệu quả của qúa trình kỵ khí đối với nước thải chế biến thuỷ sản trên mô hình UASB

- Đánh giá hiệu quả xử lý của 2 mô hình

Chương 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

2.1 THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI THỦY SẢN

2.1.1 Cơng nghệ sản xuất ngành chế biến thủy sản

Tuỳ thuộc vào các loại nguyên liệu như tơm, cá, sị, mực, cua,… mà các cơng nghệ sẽ cĩ nhiều điểm riêng biệt

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình chung chế biến thủy hải sản

C hất thải rắn

N ước thải

N ước thải lẫn m uối

X uất khẩu hoặc tiêu thu trong nước

Tôm , cá, m ực, nghêu, sò

Tiếp nhận nguyên liệu

Sơ chế: tách đầu, tôm

m ực; vảy, ruột cá,…

R ửa sạch, xử lý vi sinh

Trên đây là sơ đồ quy trình cơng nghệ chung cho tất cả các sản phẩm của ngành chế biến thuỷ sản Dưới đây xin giới thiệu quy trình chế biến một số loại sản phẩm hải sản phổ biến ở Việt Nam

a Sơ đồ cơng nghệ chế biến tơm sú

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình chung chế biến tơm sú

Tiếp nhận nguyên liệu

Bảo quản lạnh

b Sơ đồ cơng nghệ chế biến mực

Hình 2.3: Sơ đồ quy trình chung chế biến mực

Tiếp nhận nguyên liệu

Bảo quản lạnh

c Sơ đồ cơng nghệ chế biến cá

Tiếp nhận nguyên liệu

Rửa sạch

Muối hồ

Rửa chế biến

Đánh vảy

Rửa sơ bộ

Chặt đầu, móc ruột

Rửa sơ bộ

Rửa sạch

Xẻ thịt

Fillete

Đóng gói

Hình 2.4: Sơ đồ quy trình chung chế biến cá

Lượng nước thải từ các công nghệ rất khác nhau, phụ thuộc vào lượng nước cấp, quy trình công nghệ, phương pháp chế biến, tình trạng máy móc Lượng nước thải từ các công ty dao động rất lớn, ở Việt Nam lưu lượng nước thải tính trên 1 tấn sản phẩm dao động từ 30 – 200 m3

Ngành chế biến thủy sản đã sử dụng một lượng nước rất lớn trong quá trình chế biến đồng thời cũng thải ra môi trường một lượng lớn nước thải cùng với các chất thải rắn

2.1.2 Thành phần và tính chất chung của nước thải chế biến thủy sản

Theo các sơ đồ công nghệ sản xuất nêu ở trên các công đoạn tạo nên nước thải chứa Nitơ, Phốt pho gồm: công đoạn rửa nguyên liệu, công đoạn sơ chế,…

Ngành chế biến thuỷ sản xuất khẩu là một ngành mạnh như trên đã đề cập đến, ngành này tạo ra một lượng nước thải lớn góp phần làm ô nhiễm môi trường Thành phần và tính chất của nước thải chế biến thuỷ sản chủ yếu là chất thải hữu cơ có nguồn gốc từ động vật và có thành phần chủ yếu là protein và chất béo

Nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ sản có hàm lượng COD dao động trong khoảng từ 600 – 2300 mg/l, hàm lượng BOD5 cũng khá lớn từ 400 – 1800 mg/l, SS từ

125 – 400 mg/l, trong nước thường chứa các vụn thuỷ sản và các vụn này rất dễ lắng Hàm lượng Nitơ (57 – 120 mg/l) và Phốt pho (13 – 90mg/l) rất cao trong nước thải chứng tỏ mức độ ô nhiễm chất dinh dưỡng lớn Ngoài ra trong nước thải của ngành chế biến thuỷ hải sản có chứa các thành phần hữu cơ khi bị phân huỷ kỵ khí tạo ra các sản phẩm trung gian có mùi rất khó chịu và đặc trưng, làm ô nhiễm ảnh hưởng sức khỏe công nhân trực tiếp làm việc và môi trường xung quanh

2.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN

Công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản gồm có xử lý cơ học, xử lý hóa học

và xử lý sinh học

Các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản cho trong bảng sau:

Bảng 2.1: Các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản

Phương pháp xử lý Đặc điểm

I Phương pháp cơ học

A Chắn rác Các loại mảnh vụn, rác được loại bỏ bằng song chắn rác, lưới

chắn rác

B Lắng Chất lơ lửng và bông cặn được loại bỏ do trọng lực

C Điều hòa Điều hòa lưu lượng và nồng độ trên dòng thải và ngoài dòng

thải

II Phương pháp hóa

học và hóa lý

A Keo tụ, tạo bông Hệ keo bị mất ổn định do sự phân tán nhanh của hóa chất keo

tụ Chất hữu cơ, SS, photphat, một số kim loại và độ đục bị loại khỏi nước Các loại muối nhôm, sắt và polymer hay được sử dụng làm hóa chất keo tụ

B Tuyển nổi Các hạt nhỏ được tụ lại và đưa lên khỏi mặt nước nhờ các bọt

khí và loại khỏi mặt nước nhờ cánh gạt Khuấy trộn, sục các bọt khí nhờ được sử dụng

III Phương pháp sinh

học

B Kị khí Vi sinh vật sinh trưởng trong điều kiện không có O2 Các chất

hữu cơ được hòa tan và ổn định Sản phẩm cuối cùng là khí CO2, CH4 và các hợp chất hữu cơ khác

1 Sinh trưởng lơ lửng Nước thải được trộn với sinh khối vi sinh vật Nước thải trong

bể phản ứng thường được khuấy trộn và đưa đến nhiệt độ tối

ưu cho quá trình sinh học kị khí xảy ra

- Quá trình tiếp xúc Chất thải được phân hủy trong bể kị khí khuấy trộn hoàn chỉnh

Bùn được lắng tại bể lắng và tuần hoàn trở lại bể phản ứng

- UASB Nước thải được đưa vào bể từ đáy Bùn trong bể dưới lực năng

của nước và khí biogas từ quá trình phân hủy sinh học tạo thành lớp bùn lơ lửng, xáo trộn liên tục Vi sinh vật kị khí có điều kiện rất tốt để hấp thụ và chuyển đổi chất hữu cơ thành khí metan và khí cacbonic Bùn được tách và tự tuần hoàn lại

bể phản ứng hiếu khí

2 Sinh trưởng dính bám Lớp màng vi sinh phát triển trên bề mặt vật liệu đệm Cơ chất

được tiêu thụ trong lớp màng

- Bể lọc kị khí Nước thải được đưa từ phía dưới lên qua các vật liệu tiếp xúc

trong môi trường kị khí Có thể xử lý nước thải có nồng độ trung bình với thời gian lưu nước ngắn

- EBR và FBR Bể gồm các vật liệu tiếp xúc như cát, than, sỏi Nước và dòng

tuần hoàn được bơm từ đáy bể đi lên sao cho duy trì vật liệu tiếp xúc ở trạng thái trương nở hoặc giả lỏng Thích hợp với khi xử lý nước thải nồng độ cao vì nồng độ sinh khối được duy trì trong bể khá lớn Tuy nhiên, thời gian satart-up tương đối lâu

A Hiếu khí Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn khi có O2 Bùn

được tuần hoàn Sản phẩm cuối cùng là CO2

1 Sinh trưởng lơ lửng Nước thải được hòa trộn với bùn hoạt tính lơ lửng trong bể

hiếu khí

- Bùn hoạt tính Trong quá trình hoạt tính chất hữu cơ và vi sinh được sục khí

Bùn hoạt tính lắng xuống và được tuần hoàn về bể phản ứng Các quá trình bùn hoạt tính bao gồm: dòng chảy đều, khuấy trộn hoàn chỉnh, nạp nước vào bể theo cấp, làm thoáng kéo dài, quá trình ổn định tiếp xúc,…

- Hồ sục khí Thời gian lưu nước trong hồ có thể vài ngày Khí được sục để

tăng cường quá trình oxy hóa chất hữu cơ

- SBR Các quá trình tương tự bùn hoạt tính Tuy nhiên, việc ổn định

chất hữu cơ lắng và tách nước sạch sau xử lý chỉ xảy ra trong một bể

2 Sinh trưởng dính bám Vi sinh vật sinh trưởng dính bám trên các bề mặt vật liệu đệm

- Bể lọc sinh học Nước được đưa vào bể có các vật liệu tiếp xúc… Bể lọc sinh

học gồm có các loại: tải trọng thấp, tải trọng cao, lọc hai bậc,… Các vi sinh vật sống và phát triển trên bề mặt vật liệu tiếp xúc, hấp thụ và oxy hóa các chất hữu cơ Cung cấp không khí và tuần hoàn nước là rất cần thiết trong quá trình hoạt động

Hình 2.5: Quy trình sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản

Bể điềuhòa

Bể lắngI

Bể tuyểnnổi

Bể sinh học

kị khí

Bể sinh họchiếu khí

Bể lắngII

Bể khử trùng

Nước sau xử lý

Nước thải

Chlorine

Bể chứa bùn

Bùn dư hút định kỳ

Đường hóa chấtĐường khíĐường bùnĐường nước

Nước thải chế biến thủy sản có thành phần chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao, hàm lượng COD đầu vào cao (1000-2600mg/l) Do đó việc sử dụng quá trình xử lý sinh học kị khí trước khi tiến hành xử lý sinh học hiếu khí sẽ mang lại hiệu quả xử lý đáng kể, trong đó bao gồm bể UASB và AF

2.3 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KỊ KHÍ UASB VÀ AF

2.3.1 Quá trình phân hủy kị khí

Sự phân huỷ kị khí có thể được định nghĩa là sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có mặt của oxy Quá trình phân huỷ kị khí là quá trình bao gồm nhiều phản ứng sinh hóa phức tạp phân huỷ các chất hữu cơ, tạo ra hàng loạt các sản phẩm trung gian

Sự phân huỷ kị khí của các hợp chất hữu cơ có thể được chia làm 6 quá trình:

• Quá trình thuỷ phân các polymer

- Thuỷ phân protein

- Thuỷ phân các polysaccharide

- Thuỷ phân các chất béo

• Lên men các amino acid và các đường

• Oxy hoá kị khí các acid béo và alcohol

• Oxy hoá kị khí các acid béo bay hơi (trừ acetic)

• Tạo thành methane từ acid acetic

• Tạo thành methane từ hydro và carbon dioxide

Các quá trình này có thể nhóm lại thành 4 giai đoạn như sau:

* Giai đoạn thuỷ phân

Các vi khuẩn tiết ra các loại enzym để chuyển các chất hữu cơ phức tạp và các chất không tan (như polsaccharide, lipit,…) thành các chất hoà tan đơn giản có khối lượng phân tử nhỏ hơn hoặc chất hoà tan Trong giai đoạn này, các protein được chuyển thành amino acid, carbonhydrat được chuyển thành đường hoà tan, lipids chuyển thành các acid mạch dài và glycerin

Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân huỷ của cơ chất

* Giai đoạn acid hoá

Các loại vi sinh vật lên men chuyển hoá các chất hoà tan thành các chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohol, acid lactic, metanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đoạn này được thực hiện chủ yếu do vi khuẩn kị khí bắt buộc

Các amino acid được phân huỷ tạo thành NH3 là một hợp chất rất quan trọng trong quá trình phân huỷ kị khí Ở nồng độ thấp nó cần thiết cho quá trình phát triển của vi khuẩn Ở nồng độ cao nó rất độc đối với vi khuẩn metan hoá

* Giai đoạn aetic

Dưới tác dụng của vi khuẩn acetic, các sản phẩm của quá trình acid hoá được chuyển hoá thành acetat và H2, CO2 và sinh khối mới

Các vi khuẩn acetat hoá trở nên bị ức chế ở nồng độ H2 cao Sự ức chế này có thể đưa đến sự tích luỹ các acid Tốc độ phân huỷ acid acetic giảm có thể làm giảm pH bởi

vì các vi khuẩn metan hoá sử dụng acetat phát triển rất chậm nên acid acetic có thể tích luỹ sau khi tải trọng tăng đột biến

* Giai đoạn metan hoá

Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kị khí Vi sinh vật metan chuyển hoá acid acetic, H2, CO2, acid formic và metanol thành metan, CO2 và sinh khối mới

Vi sinh vật metan gồm 2 loại chính:

- Vi sinh biến đổi acetat

- Vi sinh biến đổi hydrogen

Nói chung 70 – 80% metan được tạo thành từ acetat Vi khuẩn tạo metan từ acetat có tốc độ phát triển tương đối chậm Đây là lý do chính tại sao quá trình phân huỷ kị khí đòi hỏi thời gian lưu sinh khối cao

Vi khuẩn tạo metan từ CO2 và H2 có tốc độ phát triển nhanh hơn vi khuẩn tạo metan từ acetat Một sự tăng nhẹ nồng độ hydro sẽ đưa đến các sản phẩm khác nhau của vi khuẩn tạo acid

Sự hiện diện của các chất nhận điện tử như nitrat hoặc sunfat có thể ức chế giai đoạn tạo metan bởi vì các vi khuẩn làm giảm sunfat có thể cạnh tranh trội hơn các vi khuẩn tạo metan

Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2

4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hoá và acetat hoá, COD trong dung dịch hầu như không giảm, COD chỉ giảm trong quá trình metan hóa

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kị khí

y Ảnh hưởng của pH

pH có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình kỵ khí, thông thường pH dao động trong khoảng 6,5 ÷ 7,5, nếu pH < 6,2 thì vi khuẩn methane sẽ giảm một cách nhanh chóng

và pH = 5,5 thì chúng hầu như không thể hoạt động được nữa

Khi 4≤ pH ≤ 6 , 5 và 8 , 5≤ pH ≤ 9 thì tốc độ phân huỷ các hợp chất sẽ giảm đáng

kể và các sản phẩm trung gian tạo thành cũng thay đổi theo hướng không có lợi Hầu hết các vi khuẩn sẽ không thể chịu đựng được khi pH > 9 hoặc pH < 4

Để duy trì hoạt động của vi khuẩn methane nước thải cần phải có độ kiềm thích hợp để đảm bảo pH không nhỏ hơn 6,2 Thông thường, độ kiềm trong nước thải cần khống chế ở khoảng 1000 ÷ 5000 mg/l, nồng độ acid béo bay hởi < 250 mg/l

Giá trị pH thấp gây ra các tác động gián tiếp: một vài protein bị biến đổi tại pH thấp Những protein bị biến đổi này rất khó bị phân huỷ và làm cho hệ số sinh bùn cao làm bùn bị trôi ra ngoài bể phản ứng (khi lượng protein này lớn)

Giá trị pH cao ít nguy hiểm hơn là pH thấp Khi pH cao, quá trình hình thành methane làm cho pH trở lại khoảng giá trị thích hợp Thậm chí khi pH = 10.6, quá trình tạo thành methane cũng có thể làm cho khoảng pH về lại 6.5 – 7.5

y Ảnh hưởng của nhiệt độ

So với quá trình hiếu khí thì quá trình kỵ khí đòi hỏi nhiệt độ nghiêm ngặt hơn nhiều Nó ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của hệ thống

Tốc độ chuyển hoá cực đại tại nhiệt độ 35 – 40oC đối với vi khuẩn mosophilic và đối với vi khuẩn thermophilic là 55 – 60oC Tốc độ phản ứng giảm nếu nằm ngoài khoảng trên Sự liên hệ giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng được thể hiện theo phương trình sau:

Rt = R30(1,11)(t – 30)Trong đó:

- t : tính bằng độ C

- Rt, R30 : tốc độ phân huỷ ở nhiệt độ toC và 30oC

y Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn

Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn khoảng 7 – 9% Tác dụng của khuấy trộn tạo sự phân bố đều chất dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với vi sinh vật và giải phóng sản phẩm khi hỗn hợp ra khỏi lỏng rắn

y Ảnh hưởng của độc chất

Chất độc sulfide gây ảnh hưởng rất lớn cho quá trình lên men methane ở nồng độ

1500 mg/l Nồng độ ammonia trong nước thải nếu lớn hơn 2000 mg/l thì ta không dùng dùng được bể UASB

Ngoài ra, kim loại nặng cũng gây ra những tác động tiêu cực cho hệ vi sinh vật kị khí Người ta cũng đã xác định được tính độc lên hệ vi sinh này như sau: Cr > Cu > Zn

> Cd > Ni Giới hạn nồng độ của kim loại này cho phép lên vi sinh là:

Cr: 690 mg/l, Cu: 500 mg/l, Pb: 900 mg/l, Zn: 590 mg/l, Ni: 73mg/l

y Ảnh hưởng của nồng độ muối

Nồng độ muối là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể trên quần thể vi khuẩn tạo methane Từ 5000 mg/l đến 15000 mg/l thì có thể coi là độc đối với quần thể vi khuẩn methane Nồng độ muối gây độc và tác động của từng loại muối lên quá trình phân huỷ kị khí tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại muối

y Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng

Cũng như VSV hiếu khí, các chất dinh dưỡng chủ yếu bao gồm N, P, K, S, Mg,

Ca, Fe, Na, Cl và các chất vi lượng : Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni Tỷ lệ chất dinh dưỡng cần cho VSV hiếu khí phát triển là BOD5:N:P = 400:5:1

y Ảnh hưởng của oxy và các chất ức chế

Hệ thống xử lý theo phương pháp kỵ khí phải duy trì trong điều kiện môi trường không có oxy, không có tác nhân gây ức chế cho quá trình kỵ khí như nồng độ kim loại nặng, sulfides Ngoài ra, trong quá trình phân huỷ kỵ khí cũng thường gặp một số chất ức chế: NH4+, H2S, CHCl3, HCOOH, Ni, H2, Acid acetic,…

y Ảnh hưởng của sản phẩm trao đổi chất

Ảnh hưởng quan trọng nhất là các sản phẩm acid bị phân ly thành các gốc acid và ion H+ làm giảm pH của môi trường, do đó ảnh hưởng mạnh mẽ đến giai đoạn metan hoá sinh khí CH4

2.3.3 Quá trình xử lý kị khí UASB

2.3.3.1 Nguyên lý hoạt động của bể

Bể xử lý kị khí dòng chảy ngược UASB được áp dụng để xử lý các loại nước thải

có hàm lượng chất hữu cơ cao, nhưng không sử dụng các vật liệu đỡ Dưới tác dụng của dòng chảy ngược làm cho các hạt bùn lơ lững xáo trộn, tạo sự tiếp xúc giữa nước thải và bùn Sự tiếp xúc giữa bùn và nước thải vào càng tốt, hiệu quả xử lý càng cao Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ làm xáo trộn lớp bùn tạo sự tiếp xúc giữa bùn và nước thải và được thu lại tại hệ thống tách rắn – khí đặt trên đỉnh bể phản ứng

2.3.3.2 Các điểm cần chú ý đối với bể UASB

y Tải trọng tối đa có thể áp dụng

Tải trọng tối đa được xác định dựa vào thời gian lưu bùn trong bể, sự tiếp xúc giữa nước thải vào với bùn (hiệu quả xử lý), và thể tích phần phản ứng của bể Khác với các bể xử lý bằng phương pháp kỵ khí như bể lọc kỵ khí, thể tích phản ứng bị giới hạn bởi thể tích vật liệu lọc Trong bể UASB, bùn có thể phát triển thành các dạng bùn hạt, do đó tải trọng xử lý có thể đạt rất cao mà không cần sự tuần hoàn nước

y Khả năng loại bỏ các chất rắn lơ lửng

So với các bể lọc kỵ khí thì khả năng loại bỏ các chất lơ lững thấp hơn Ngoài ra,

bể UASB với bùn dạng hạt loại bỏ các chất lơ lững kém hơn bể UASB với bùn dạng bông

Nhờ vào kích thước hạt lớn (đường kính từ 0,5 đến 2mm), các hạt bùn không bị trôi ra khỏi bể khi tải trọng thuỷ lực lớn Ngoài ra, các hạt bùn còn có mật độ vi khuẩn rất lớn nên chúng có khả năng xử lý nước thải có hàm lượng ô nhiễm hữu cơ cao, 1

gram bùn (khối lượng khô) có thể xử lý được 0,5 đến1g COD Hơn nữa, nhờ vào kích thước hạt lớn, bùn kị khí có thể lắng xuống dễ dàng Vận tốc lắng nhanh cho phép UASB có tải trọng thuỷ lực lớn, mà không sợ các bông bùn bị kéo ra ngoài Vì UASB

có khả năng chịu được tải trọng thuỷ lực cao, nên UASB có thể dùng để xử lý nước có nồng độ chất hữu cơ không cao (ngay cả khi vài trăm mgCOD/l)

2.3.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bể UASB

y Hàm lượng chất hữu cơ

Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải có thể được xác định theo COD Khi COD nhỏ hơn 100 mg/l thì xử lý bằng UASB không đạt hiệu quả cao Khi COD lớn hơn

5000 mg/l cần pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn nước thải đầu ra

y Chất dinh dưỡng

Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của vi khuẩn kỵ khí tuy thấp hơn so với vi khuẩn hiếu khí nhưng không thể thiếu Nồng độ (COD/Y):N:P:S = (50/Y):5:1:1 trong đó Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào nước thải Nước thải không dễ acid hoá có Y = 0,15 nước thải dễ acid hoá có Y = 0,03

Vi khuẩn methane đòi hỏi hàm lượng sắt, nickel, và cobalt tương đối cao Tuy nhiên thông thường phần lớn các loại nước thải có đủ các chất dinh dưỡng vi lượng này

y Hàm lượng cặn lơ lững

UASB không thích hợp đối với nước thải có hàm lượng cặn lơ lững lớn hơn 3000 mg/l Cặn này khó có thể phân huỷ sinh học trong thời gian lưu nước ngắn và sẽ tích luỹ dần trong bể gây trở ngại cho quá trình phân huỷ nước thải Tuy nhiên, nếu lượng cặn này bị cuốn trôi ra khỏi bể thì không có trở ngại gì

Cặn lơ lửng sẽ lưu lại trong bể hay không tuỳ thuộc vào kích thước hạt cặn và hạt bùn nuôi cấy Khi kích thước của cả hai loại này gần bằng nhau thì cặn lơ lững sẽ tích luỹ lại trong bể Khi sử dụng bùn hạt, cặn lơ lững sẽ dễ bị cuốn trôi ra khỏi bể

Nếu lượng cặn lơ lững bị phân huỷ trong bể Lúc đó, cần biết tốc độ phân huỷ của chúng để tính thời gian lưu cặn trong bể

y Độc tố trong nước thải

UASB không thích hợp với việc xử lý nước thải có hàm lượng ammonia lớn hơn

2000 mg/l hoặc nước thải có hàm lượng sulphate vượt quá 500 mg/l (tỷ số COD/SO4

2-≤ 5) Bản thân sulphate không gây độc, nhưng do vi khuẩn khử sulphate dễ dàng chuyển SO42- thành H2S Khi hàm lượng SO42- không quá cao (hoặc tỷ số COD/SO42-không quá 10) sẽ không gây ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kỵ khí thành hai giai đoạn riêng biệt: acid và methane Trong bể khử axit riêng biệt, vi khuẩn khử sulphate chuyển hoá SO42- thành H2S và H2S dễ dang tách ra khỏi nước thải do pH thấp trong quá trình axit hoá

Nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng đến vi khuẩn methane như trong quá trình kỵ khí

2.3.4 Quá trình xử lý kị khí AF

2.3.4.1 Nguyên lý hoạt động của bể

Bể lọc kị khí là một bể chứa vật liệu tiếp xúc để xử lý chất hữu cơ chứa nhiều cacbon trong nước thải Nước thải được dẫn vào bể từ dưới lên hoặc từ trên xuống, tiếp xúc với lớp vật liệu trên đó có vi sinh vật kị khí sinh trưởng và phát triển Vì vi sinh vật được giữ trên bề mặt vật liệu tiếp xúc và không bị rửa trôi theo nước sau xử lý nên thời gian lưu của tế bào sinh vật rất cao (khoảng 100 ngày), mật độ vi sinh vật tập trung lớn

Trong bể lọc kỵ khí do dòng chảy quanh co đồng thời do tích luỹ sinh khối vì vậy

dễ gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn Để khắc phục tình trạng này có thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas thông qua hệ thống phân phối khí bố trí dưới lớp vật liệu Sau thời gian vận hành các chất rắn không bám dính gia tăng trong bể Điều đó chứng tỏ khi thấy hàm lượng sinh ra tăng lên, hiệu quả xử lý giảm xuống do thời gian lưu nước thực tế ngắn Chất rắn không bám dính có thể lấy ra khỏi hệ thống bằng cách xả đáy và rửa ngược

2.3.4.2 Quá trình màng vi sinh vật

a .Giới thiệu

Quá trình màng vi sinh vật bám dính là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms) Trong quá trình hoạt động vi sinh vật tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khống chất) cĩ trong nước thải và làm sạch nước

b Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

¾ Cấu tạo màng vi sinh vật

Hình 2.5: Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật cĩ 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:

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

2 Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng

vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film)

Biofilm Bề mặt vật

liệu đệm

Màng nền

Chất lỏng

Màng bề mặt

Khí

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một

số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin)

do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu huỷ tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại tế bào nay là polysaccharides, proteins

Trong khi đó quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số

vi khuẩn như methane hoá sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đó sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng hình thành một ma trận filamentous Với cấu trúc lỗ xốp có khả năng lưu giữ các vi sinh kỵ khí có khả năng dính bám kém bên trong tốt hơn

Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền mà không quan tâm tới lớp màng bề mặt Nhưng nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần dược đưa ra 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 ma trận polymer ngoại tế 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 trống theo chiều đứng và như 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 niệm 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 tán đem 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 oxy 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 hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý

¾ Hoạt động của màng

Hình 2.6: Hoạt động của màng vi sinh vật

a Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh 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 chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất 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 khối 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 cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ cơ chất được

mô tả bởi công thức chung như sau:

Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối

Biofilm

Nước thải Lớp hiếu khí

b Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thối của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất cĩ trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn:

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

Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giai đoạn hai,tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiêụ quả khơng thay đổi bất chấp sự thay đổi của tồn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng khơng 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 khơng cĩ sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ cĩ 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

Hình 2.7: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

T hời gian, ngày

Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa bởi lực cắt của dòng chảy Bảng 3.2.3 cho thấy sự tích luỹ của lớp màng vi sinh vật Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2.3) Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó 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 nhiều 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 thải ra chất kết dính Kết quả là 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 Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hoá chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

2.3.4.3.Tính chất của màng vi sinh vật

¾ Đặc tính sinh học của màng

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

Nói chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng 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 Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh 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 (DS) cho ta thời gian lưu bùn ( hay tuổi bùn AS):

n A A

n n dt

Từ phương trình trên cho thấy, nếu m < 1/AS, n sẽ giảm theo thời gian tới khi loài

đó biến mất Nói cách khác, đối với những loài vi sinh vật với tốc độ phát triển nhỏ, để

có thể phát triển, tuổi bùn, hay thời gian lưu bùn AS phải đủ lớn

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 Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao là một hệ thống ổn định với 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

¾ 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 2 quan điểm:

Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi 2 yếu tố : sự khuyếch 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 1 giá trị đủ lớn Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hoá lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do dó sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn

Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuyếch 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 và được tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuyếch tán phân

tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuyếch tán phân

tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên đến hàng ngàn đvC nhỏ hơn nhiều so với 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 bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn

¾ Một số đặc tính khác

a Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý

Ưu điểm quan trọng nhất của qúa màng vi sinh vật so với qúa trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính ,có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nước xử lý, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dư….Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như

Sphaelotius natans,beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khó khăn cho quá

trìng vận hành hệ thống Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như không cần phải quan tâm tới Trong khi bể lắng sau thiết bị

xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong

ra trong nước thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà không có ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật Lượng bùn dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, có tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống ,và còn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của công trình sử lý trong quá trình vận hành thấp Thí dụ, đối trong công trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong công trình xử lý có thể được điều chỉnh thông qua lượng bùn tuần hoàn từ bể lắng, thời gian lưu bùn có thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ ,và các điều kiện vận hành có thể được điều chỉnh thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitơ Thế nhưng đối với quá trình màng vi sinh vật không thể điều khiển chính

xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì không có một phưong pháp hiệu quả nào được phát triển nhằm điều khiển quá trình này Và có thể nói rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống vi sinh vật duy nhất là chỉ lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (nếu có)

b Khởi động nhanh chóng

Trong quá trình bùn hoạt tính ,thời gian khởi động: khoảng thời gian cần thiết để

đạt được hiệu quả ổn định, cần tối thiểu là 1 tháng, và thông thường là 2 tháng So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc sinh học nước và thiết bị tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích luỹ lại mà không bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động, khi màng vi sinh vật còn mỏng Cũng vì vậy mà việc khôi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một ly do nào

đó Quá trình cũng chịu đựng sự thay đổi lớn bất thường về tải trọng hữu cơ

c Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm

Có thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ nhưng cơ chất phân huỷ chậm của quá trình màng vi sinh vật Những cơ chấtcó chứa các loại hợp chất hưu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), ligin,các hợp chất clo hữu cơ …,hay các chất vô cơ như nitrat,tuy cyanid,…Những hợp chất này đều

là các chất có thể phân huỷ sinh học, tuy nhiên tốc độ phân huỷ rất chậm, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đó làm cơ chất chính rất thấp

.Thí dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitơ Nitosomons chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của Escherichia coli Các loại vi sinh vật có tốc độ tăng trưởng nhỏ ncó khả năng

phát triển trong màng vi sinh vật Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng

có khả năng loại bỏ các loại cơ chất phân huỷ chậm Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu quả với bề dày tổng của màng Nói chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếnh tán phân tử của nó, độ sâu nó có thể vào trong màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả Nói cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương ứng, và ngược lại Vì vậy, sự khác biệt về khả

năng phân huỷ sinh học sẽ không ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật Vì vậy, màng vi sinh vật thích hợp để sử lý những loại nước thải có chứa những cơ chất phân hửy sinh học chậm

d Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm

Cả tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm, và mức

độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán Năng lượng hoạt hoá được dùng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào nhiệt độ , năng lượng càng lớn, sự phụ thuộc càng cao Năng lượng hoạt hoá của khuếch tán phân tử chừng vài kcal/mol trong khi đó năng lượng hoạt hoá của phản ứng sinh học khoảng 20-30 kcal/mol Do đó, ngay cả khi nhiệt độ nước thải xuống thâp tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng không ảnh hưởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống như đối với cơ chất phân huỷ sinh học chậm Bởi vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều tốc độ phản ứng – theo nhiệt độ Ngược lại, khi nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng không tăng nhiều như phản ứng sinh học nội Vậy hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật

ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ

Tương tự như vậy, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lượng ô nhiễm biến đổi Khi tải lượng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt màng tăng tương ứng dẫn tới bề dày của lớp màng hiệu quả tăng theo Kết quả là hiệu xuất xử lý được giữ ổn định

e Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp

Thực nghiệm cho thấy không thể xử lý nước thải có nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng bùn hoạt tính, vì rất khó duy trì giá trị MLSS và hiệu quả xử lý Tuy nhiên, đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nước thải với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng được xử lý hiệu quả Hơn nữa, nước thải với nồng độ càng thấp càng dễ

xử lý