Luận văn Xác định các thông số động học sinh học phục vụ quá trình xử lý nước thải của cơ sở sản xuất nước tương Lam Thuận bằng bùn hoạt tính

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỂ NƯỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG CHÖÔNG 3: TOÅNG QUAN VEÀ XÖÛ LYÙ NÖÔÙC THAÛI BAÈNG PHÖÔNG PHAÙP SINH HOÏC NOÙI CHUNG VAØ PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ BAÈNG BUØN HOAÏT TÍNH NOÙI RIEÂNG CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG TRÊN MÔ HÌNH BÙN HOẠT TÍNH CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn

Xác định các thông số động học sinh học phục

vụ quá trình xử lý nước thải của cơ sở sản xuất nước tương Lam Thuận bằng bùn hoạt tính

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, chất lượng cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao

Do đó, các đòi hỏi về những nhu cầu hằng ngày, ngày càng trở nên khắt khe, đặc biệt là nhu cầu về ẩm thực Chính vì thế, các ngành công nghiệp chế biến và sản xuất thực phẩm đóng một vai trò rất quan trọng

Chịu ảnh hưởng bởi phong tục tập quán của người Hoa, nhiều người Việt Nam chúng ta có xu hướng thích thưởng thức các món ăn có sử dụng nước tương

để làm tăng hương vị đậm đà cho thực phẩm Thêm vào đó, đậu tương là một loại nông sản có năng suất rất cao và được trồng ở nhiều nơi trong cả nước Do đó, ngành sản xuất nước tương hiện nay khá phát triển trong lĩnh vực thực phẩm tại Việt Nam Tuy nhiên, việc sản xuất nước tương đã tạo ra một lượng lớn nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao gây ra không ít lo ngại cho cuộc sống của người dân sống xung quanh khu vực nhà máy

Hiện trạng nước thải chứa lượng lớn chất hữu cơ cao thải trực tiếp ra hệ thống nước thải chung của các khu dân cư không qua xử lý gây ô nhiễm nghiêm trọng là thực trạng chung của một số các cơ sở sản xuất nước tương quy mô vừa

và nhỏ hiện nay Vì thế, trong khi hệ thống xử lý nước thải nước tương của một

số nhà máy hoạt động hiệu quả, hệ thống xử lý của các cơ sở khác lại chưa đạt được như mong muốn, nhất là các cơ sở với quy mô sản xuất vừa và nhỏ

Bên cạnh lý do khoản đầu tư và vận hành hệ thống xử lý làm tăng chi phí sản xuất, một trong những nguyên nhân khiến hiệu quả xử lý chưa đạt yêu cầu là

do thiếu các nghiên cứu cụ thể với loại nước cần xử lý Đó là những nghiên cứu không đòi hỏi chi phí cao nhưng lại có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống xử lý nước thải nước tương Trong quá trình xử lý nước thải nước tương thì giai đoạn xử lý sinh học đóng vai trò then chốt để loại

bỏ các yếu tố ô nhiễm hữu cơ luôn hiện diện trong nước thải Trong số các

phương pháp xử lý sinh học thì xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính là lựa chọn thông dụng nhất đối với các hệ thống xử lý nước thải nước tương do chi phí đâu

tư và vận hành hợp lý

Trước những vấn đề đặt ra ở trên, đề tài “ Xác định các thông số động học sinh học phục vụ quá trình xử lý nước thải của cơ sở sản xuất nước tương Lam Thuận bằng bùn hoạt tính” được hình thành nhằm cải thiện hiệu quả xử lý của hệ thống xử lý nước thải đối với các nhà máy đã có hệ thống xử lý , đồng thời có vai trò như một tài liệu tham khảo đối với các nhà đầu tư , những người thiết kế hệ thống xử lý nước thải nước tương để hệ thống hoạt động hiệu quả sau khi xây dựng

1.2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Xác định các thông số động học sinh học phục vụ xử lý nước thải ở ba điều kiện thích nghi, tĩnh và động Từ đó rút ra thông số động học phù hợp nhất cho quá trình xử lý loại nước thải trên bằng phương pháp bùn hoạt tính

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

 Khảo sát thành phần, tính chất nước thải từ quá trình sản xuất nước tương

 Xây dựng và vận hành mô hình thí nghiệm

 Phân tích, đánh giá và xử lý các thông số trong quá trình xử lý nước thải

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý COD trong nước thải sản xuất nước tương trên môi trường nhân tạo bằng phương pháp sinh học hiếu khí ứng dụng bùn hoạt tính

Nghiên cứu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với mô hình có dung tích 24l

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Sản xuất nước tương đang là một trong những lĩnh vực phát triển của ngành thực phẩm Nên nước thải trong quá trình sản xuất nước tương cũng ngày một tăng lên, vì thế việc xác định được các thông số động học tốt nhất cho quá trình

xử lý của nước thải có ý nghĩa rất thực tế Nó có thể là tài liệu nhằm nâng cao hiệu quả xử lý cho các hệ thống xử lý hiện hữu Đồng thời là thông số tham khảo trong quá trình thiết kế hệ thống xử lý nước thải nước tương

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỂ NƯỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

NƯỚC TƯƠNG

Nguyên liệu để sản xuất nước tương là hạt đậu tương có tên khoa học là

Glycine max Merrill Đậu tương là cây công nghiệp và là cây thực phẩm ngắn

ngày có giá trị dinh dưỡng cao Đậu tương dùng làm thực phẩm cho người và thức ăn cho chăn nuôi

Đồng thời, đậu tương còn là cây cải tạo đất tốt và là mặt hàng nông sản xuất khẩu quan trọng đem lại lợi nhuận cao Chính vì vậy, cây đậu tương đang là một trong 10 chương trình ưu tiên phát triển của nước ta ( TS.VS.Trần Đình Long – Viện Khoa Học Kỹ Thuật Nông Nghiệp Việt Nam)

Từ năm 1990 trở lại đây diện tích canh tác, năng suất, sản lượng đậu tương

đã không ngừng tăng lên Cũng theo TS.VS Trần Đình Long – Viện Khoa Học

Kỹ Thuật Nông Nghiệp Việt Nam, diện tích trồng tăng 11,2%, năng suất tăng 48,6% và sản lượng tăng 63,9% Cũng từ đó, các cơ sở sản xuất nước tương ra đời ngày càng nhiều và phát triển ngày càng rộng với nhiều thương hiệu nổi tiếng

Nước tương hay còn gọi là xì dầu đang được sử dụng rộng rãi ở Đông Nam

Á Riêng ở Việt Nam, lượng nước tương tiêu thụ hằng tháng ngày càng tăng bởi không chỉ vì hương vị đậm đà thơm ngon của nó mà còn vì khả năng khắc phục những hư tổn tế bào ở người của nước tương

Người ta phát hiện nước tương – được làm từ đậu tương lên men – có khả năng chống ôxy hóa mạnh gấp khoảng 10 lần rượu vang đỏ và 150 lần so với vitamin C

“ Thứ nước chấm này còn thể hiện tiềm năng trong việc làm chậm tốc độ phát triển các căn bệnh tim mạch và suy thoái thần kinh”, trưởng nhóm nghiên cứu Barry Halliwell cho biết

Nghiên cứu của Đại Học Quốc Gia Singapore cũng tìm thấy nước tương cải thiện tới 50% lưu lượng máu chỉ trong vài giờ sau khi sử dụng

Có thể thấy rằng nhu cầu tiêu thụ nước tương ngày càng tăng Tại thành phố

Hồ Chí Minh hiện nay có khoảng 50 cơ sở sản xuất và phân phối nước tương với chất lượng được phân thành nhiều loại Trên cả nước hiện nay có khoảng trên 70 nhà máy sản xuất nước tương có quy mô tương đối lớn và rất nhiều cơ sở sản xuất nước tương vừa và nhỏ khác

2.1 HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG TẠI VIỆT NAM

2.1.1 Quy trình sản xuất nước tương

SVTH: Nguyễn Thị Kim Hải Trang 6

Bánh dầu là đậu tương bị ép hết dầu và viên thành từng bánh với hàm lượng protein đạt từ 40% trở lên

Nước tương sản xuất theo quy trình này sẽ tạo ra thành phẩm nhanh hơn, nhờ sử dụng acid để phân giải tinh bột và protein Nhưng đồng thời quy trình này cũng sinh ra chất độc 3 – MCPD như 1 sản phẩm phụ gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người tiêu dùng Vì vậy, các nhà máy sản xuất nước tương ở nước ta hiện nay đã dần chuyển sang sản xuất nước tương bằng phương pháp lên men truyền thống nhưng cũng có kết hợp hóa giải

2.1.1.2 Sản xuất nước tương bằng lên men kết hợp với hóa giải bằng axit (Hình 2.2)

2.1.1.3 Thuyết minh quy trình

Khô đậu nghiềng nhỏ

Rang

Điều chỉnh pH

Nuôi mốc Ngâm

Trung hòa, lọc Thủy phân 2

Trộn mốc Làm nguội

Thủy phân 1

Mốc giống A.oryzae Nước nóng 600C

Nếu ta chỉ sản xuất nước tương bằng phương pháp lên men truyền thống thì sẽ gặp nhiều khó khăn như thời gian sản xuất ra sản phẩm chậm, và nước tương cũng không có mùi thơm và hương vị đặc trưng Nhưng nếu ta sử dụng phương pháp hóa giải thì có được các yêu cầu đó Vì vậy, phương pháp này là sự kết hợp hoàn hảo để nhà máy sản xuất nước tương đáp ứng được yêu cầu của khách hàng

Trong qui trình sản xuất nước tương theo phương pháp lên men kết hợp hóa giải bằng axit sulfuric gồm có các giai đoạn chính:

 Xử lý nguyên liệu : công đoạn xử lý nguyên liệu có 3 bước chính

 Xay nhỏ : nhằm tăng khả năng xúc tác của enzyme thủy phân

 Phối liệu và trộn nước : trộn thêm 10% bột bắp hoặc bột mì, thêm

60 – 70 % nước so với lượng bột trên

 Hấp chín : nhằm tiêu diệt vi sinh vật và giúp nấm mốc phát triển tốt hơn

 Nuôi nấm mốc : trong khi nuôi nấm cần lưu ý các yếu tố

Nhiệt độ từ 28 – 320 C; độ ẩm từ 85 – 90% và phải thoáng khí

 Thủy phân: lượng axit sulfuric sử dụng là 5% dung dịch HCl , thời gian thủy phân là 24h tại nhiệt độ 97 ± 30C

 Thanh trùng sản phẩm : có thể tiến hành bằng hai cách : đun trực tiếp hoặc dùng hơi nước từ nồi hơi Nhiệt độ thanh trùng từ 60 – 700 C

2.1.1.4 Giới thiệu về cơ sở sản xuất nước tương Lam Thuận

Địa chỉ: 295/14/6 Kinh Dương Vương, phường An Lạc, quận Bình Tân Quy mô sản xuất khoảng 1,2 triệu chai/ năm

Số lượng công nhân là 40 người

2.1.2 Những vấn đề môi trường trong sản xuất nước tương

2.1.2.1 Môi trường không khí

Do thời gian trước đây, khi còn sản xuất nước tương theo phương pháp hóa giải, dùng acid để phân giải bánh dầu chiết xuất dịch tương, cùng với việc chưa

vào không khí làm cho môi trường tại các nhà máy sản xuất và chế biến nước tương bị ô nhiễm nặng nề, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lao động Hơi acid thừa có tác hại đến đường hô hấp và niêm mạc mắt hít phải hơi acid có thể bị nhiễm độc gây co thắt thanh quản, nặng hơn là viêm phế quản, đặc biệt về lâu dài có thể bị phù phổi Triệu chứng thường thấy ở người làm việc trong môi trường acid tại các cơ sở sản xuất nước tương là ho

Tuy gần đây, các cơ sở sản xuất đã chuyển sang sản xuất sạch hơn với phương pháp lên men Nhưng môi trường không khí vẫn chưa được cải thiện

2.1.2.2 Chất thải rắn

Chất thải rắn từ quá trình sản xuất nước tương chủ yếu là bả thải Bã chính

là bánh đậu đã qua phân giải chỉ còn lại xác đậu

Bên cạnh đó, nguồn phát sinh chất thải rắn do quá trình sản xuất nước tương còn tập trung ở giai đoạn đóng gói Rác chủ yếu là các loại bao bì, nilon, carton… Ngoài ra, rác thải sinh hoạt cũng góp phần đáng kể gây ô nhiễm

Lượng chất thải rắn trong quá trình sản xuất nước tương hiện nay đang trở thành vấn nạn của các nhà sản xuất cũng như nhà quản lý môi trường bởi vì tính chất gây ô nhiễm cao và khó xử lý của nó Chính vì thế, cần xúc tiến tìm ra biện pháp thu gom và xử lý thích hợp để loại bỏ những mầm bệnh, giữ cho môi trường trong sạch

2.1.2.3 Môi trường nước

Hầu hết các nhà máy, cơ sở sản xuất nước tương nói riêng và nước chấm nói chung đều gây ô nhiễm môi trường nước bởi bởi nước thải của quá trình sản xuất Hiện tượng nước thải chứa lượng hợp chất hữu cơ cao được thải trực tiếp ra

hệ thống nước thải chung của khu dân cư hoặc trực tiếp vào các thủy vực gây ô nhiễm nghiêm trọng là thực trạng chung của các nhà máy sản xuất nước tương Bên cạnh đó, nước thải của các quá trình sản xuất này cũng tác động trực tiếp đến môi trường bởi yếu tố tạo mùi của nó

Cho đến nay ở hầu hết các nhà máy, cơ sở sản xuất nước tương vừa và nhỏ chưa cĩ hệ thống xử lý nước thải hồn chỉnh, nếu cĩ cũng chỉ là xơ sài và khơng đạt tiêu chuẩn

2.2 THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT NƯỚC TƯƠNG

2.2.1 Thành phần

Cũng giống như các ngành chế biến thực phẩm khác, nước thải của các nhà máy sản xuất nước tương chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân hủy chủ yếu là các hydratecarbon, protein, cellulose và lipit Muối là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất nước tương vì nĩ điều chỉnh vị và bảo quản sản phẩm

Ngồi ra, trong nước thải của các nhà máy sản xuất nước tương cịn chứa một lượng các hĩa chất để xúc rửa chai và vệ sinh thiết bị cĩ dính các loại dầu

mỡ trong quá trình bảo trì máy mĩc

2.2.2 Tính chất

Nước thải sản xuất nước tương cĩ một số tính chất đặc trưng như sau

Bảng 2.1.Tính chất chung của nước thải sản xuất nước tương

Matsushita Environment Airconditioning Eng Co., Ltd

Dựa vào bảng tính chất chung của nước thải sản xuất nước tương cho ta thấy nước thải ra đã vượt mức chỉ tiêu cho phép khá cao, và

sinh học cũng như các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật sử dụng Môi trường nước thải có tính axit nhưng không cao, vi sinh vật có thể hoạt động

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC NÓI CHUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

XỬ LÝ BẰNG BÙN HOẠT TÍNH NÓI RIÊNG 3.1.TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

3.1.1.Khái niệm nước thải

Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy tràn qua các vùng đất ô nhiễm Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia làm 3 loại :

 Nước thải sinh hoạt

 Nước thải công nghiệp

 Nước mưa tràn qua vùng đất ô nhiễm

Ngày nay, dân số gia tăng quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa ngày càng mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu sử dụng nước rất lớn Trong khi nguồn tài nguyên nước lại không tăng lên, điều này làm suy giảm nghiêm trọng cả về chất và lượng của nước

3.1.1.1 Nước thải sinh hoạt

Là nước thải ra từ các hoạt động sống hằng ngày của con người như : nước tắm, giặt, hồ bơi, nhà ăn, nhà vệ sinh, nước rửa sàn nhà… Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng các chất hữu

cơ không bền sinh học cao như hydratcacbon, protein, mỡ ; chất dinh dưỡng như photphat, nitơ ; vi trùng ; chất rắn và mùi

Nước thải sinh hoạt phát sin từ các hộ dân cư, có lưu lượng nhỏ, nhưng bố trí trên địa bàn rất rộng, khó thu gom triệt để xếp vào loại nguồn phân tán

3.1.1.2.Nước mưa chảy tràn qua các vùng đất ô nhiễm

Được hình thành do mưa và chảy ra từ đồng ruộng Chúng bị ô nhiễm bởi các chất vô cơ và hữu cơ khác nhau Nước trôi qua khu vực dân cư, khu sản xuất công nghiệp, có thể cuốn theo chất rắn, dầu mỡ, hóa chất, vi trùng … Còn nước chảy ra từ đồng ruộng mang theo chất rắn , thuốc sát trùng, phân bón …

Nước mưa chảy qua các khu rừng mang theo các chất hữu cơ động thực vật, chất rắn lơ lửng do xói mòn đất… Các loại nước thải này theo tính chất phát sinh như trên cũng thuộc loại nguồn phân tán

3.1.1.3.Nước thải công nghiệp

Xuất hiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vô

cơ Các nguồn nước thải bao gồm :

 Nước hình thành do phản ứng hóa học

 Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách ra trong quá trình chế biến

 Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm , thiết bị

 Dung dịch nước cái

 Nước chiết, nước hấp thụ

 Nước làm nguội

 Các loại nước khác : nước bơm chân không từ thiết bị ngưng tụ hòa trộn, hệ thống thu hồi tro ướt, nước rửa bao bì, nhà xưởng, máy móc…

Nước thải công nghiệp thường có lưu lượng lớn và nồng độ các chất ô nhiễm cao được thoát ra từ các công của nhà máy hoặc khu công nghiệp, nên được xếp vào loại nguồn điểm

3.1.2.Tính chất của nước thải

Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất khác nhau, với số lượng và nồng độ cũng thay đổi rất khác nhau.Có thể phân loại tính chất nước thải như sau :

3.1.2.1.Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu : các chất rắn, độ đục, màu sắc, mùi vị, nhiệt độ và lưu lượng

 Các chất rắn bao gồm các dạng sau :

 Các chất rắn hữu cơ : bao gồm C, H, O, N và có thể được chuyển thành CO2 và H2O khi cháy ở 5500.

 Chất rắn vô cơ : phần còn lại sau khi đốt cháy hoàn toàn cặn, thu được trên giấy lọc

 Chất rắn lơ lửng : loại chất rắn này thường bị giữ lại bởi các bể lọc đệm với vật liệu xơ và có thể được phân loại nhỏ hơn : tổng các chất rắn lơ lửng ( TSS) , các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi ( VSS) và chất rắn lơ lửng cố định

 Các chất rắn tan : loại chất rắn này sẽ đi qua được các bể lọc và cũng được phân loại thành : tổng hàm lượng

các chất rắn tan được (TDS), các chất rắn tan dễ bay hơi và các chất rắn tan cố định

 Màu : đây là một trong những thông số để xác định chất lượng nước Nước sạch thường không có màu, nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung màu nước thải thường là màu nâu xám có vẩn đục Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổi đáng kể nếu như nó bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải sẽ có màu đen tối

 Độ đục : một trong những đặc điểm dễ nhận biết về sự ô nhiễm của nước, đó chính là độ trong của nước, được xác định thông qua độ đục Độ đục của nước có được là do sự tồn tại các chất lơ lửng trong nước, như tảo, các vi sinh vật, đất sét, bọt xà phòng, các chất tẩy rửa… Phương pháp thường sử dụng để

đo độ đục trong xử lý nước thải là phương pháp UV – Vis

 Mùi : mùi có được là do khí sinh ra từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ hay một số chất được đưa thêm vào trong nước thải Nước thải sinh hoạt thông thường có mùi mốc, nhưng nếu nước thải bị nhiễm khuẩn thì nó sẽ chuyển sang mùi trứng thối do sự tạo thành H2S trong nước

3.1.2.2 Tính chất hóa học

Các hợp chất hữu cơ

 Protein : là hợp chất hữu cơ chứa nitơ với khối lượng phân tử

lớn Khi protein hiện diện trong nước thải với số lượng lớn, quá trình phân hủy các vi sinh vật trong nước thải sẽ xảy ra mạnh mẽ và gây ra mùi khó chịu Trong suốt quá trình phân hủy này, protein bị thủy phân thành amino axit, và sau đó là amoni,

H2S và cuối cùng là các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn

 Dầu và mỡ : không tan trong nước nhưng lại bị hòa tan trong các

dun môi khác như dầu hỏa, cloroform và ete Chúng là một trong

những chất hữu cơ ổn định nhất và không dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật

 Cacbonhydrat : Chúng gồm các chất hữu cơ như : tinh bột,

xenlulo, đường và chất xơ, với thành phần chính là C, H và O Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy cacbohydrat trong điều kiện không có oxy là các axit hữu cơ, rượu và các chất khí ( CO2, H2S,…)

 Các chất tẩy rửa :ít tan trong nước và có thể gây hiện tượng

nổi bọt trong các nhà máy xử lý nước thải

Các hợp chất vô cơ

 Độ pH : được xác định thông qua nồng độ H+ Tính axit của nước là một trong những nguyên nhân gây nhiễm bẩn môi trường nước, do các trầm tích thường giải phóng độc chất trong môi trường axit

 Độ kiềm : đặc trưng cho khả năng trung hòa axit Độ kiềm

thực chất là môi trường đệm ( để giữ pH trung tính) của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hóa

 Clo : Clo tồn tại trong nước và nước thải chủ yếu ở dạng ion

Cl- Nồng độ clo trong nước thải thường cao hơn trong nước nguyên chất

 Nitơ : nitơ thường tồn tại ở các dạng : N hữu cơ, N – NH3, N –

NO2, N – NO3 Sự hiện diện của nitơ trong nước thải là cần thiết để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng quá trình sinh học

 Photpho : là chất dinh dưỡng cần thiết cho tất cả các tế bào

sống và là thành phần tự nhiên của nước thải

 Lưu huỳnh : là nguyên tố cần thiết cho quá trình tổng hợp

protein Sunfat bị biến đổi sinh học thành sunfit, sau đó có thể kết hợp với hydro tạo thành H2S, là độc chất đối với động thực vật

 Các hợp chất gây độc : các chất này độc đối với hệ vi sinh

vật và ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

 Các kim loại nặng : chủ yếu được tìm thấy trong nước thải

công nghiệp, và chúng cũng có ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

3.1.2.3.Tính chất sinh học

Nói đến tính chất sinh học trong nước thải là đề cập đến các loài sinh vật hiện diện trong nước thải, bởi vì chính sự vắng mặt, có mặt hay phát triển quá mức của chúng sẽ chỉ ra được nguồn nước ở tình trạng như thế nào, có bị nhiễm bẩn hay không Các thành phần sinh học chính bao gồm :

 Các động vật nước

 Các thực vật nước

 Động vật nguyên sinh, vi khuẩn, virut…

3.2 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải Quá trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô

cơ, các chất khí đơn giản và nước

Cho đến nay, người ta xác định được rằng, các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hòa tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác

Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng

tế bào ( tăng sinh khối ), đồng thời làm sạch ( có thể là gần hoàn toàn ) các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sunfit, muối amon, nitrat … các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn Sản phẩm của các quá trình phân hủy này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat…

3.2.1 Phương pháp sinh học xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên

Phương pháp này dựa trên khả năng làm sạch sinh học trong môi trường đất và hồ nước

Dựa trên nguyên tắc đó, người ta chia nhóm các phương pháp sinh học xử lý nước thải ra những phương pháp xủ lý như sau :

3.2.1.1.Phương pháp đồng tưới cộng đồng, đồng tưới nông nghiệp và đồng lọc

Người ta sử dụng đồng tưới cộng đồng như một biện pháp tổ hợp các quá trình làm sạch Ở đây sẽ xảy ra hàng loạt các quá trình háo học, vật lý và sinh học rất phức tạp

Việc sử dụng đồng tưới sinh học bao gồm hai mục đích chính như sau :

 Xử lý và làm sạch nước thải

 Tận dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để trồng trọt Tuy nhiên, cũng cần phải hiểu rằng, không phải tất cả các loại nước thải nào cũng có thể sử dụng phương pháp này được Vì rằng nhiều loại nước thải chứa rất nhiều vi sinh vật gây bệnh đặc biệt là chứa nhiều kim loại nặng hay các chất độc nguy hiểm Những loại nước thải thuộc loại này không thể xử lý theo phương pháp đồng lọc này được mà phải áp dụng những phương pháp rất đặc biệt để loại trừ chúng ra khỏi nước thải Nếu sử dụng phương pháp đồng tưới

công cộng mà không tính đến ảnh hưởng độc hại của nước thải sẽ gây ra những tác hại rất nghiêm trọng cho sức khỏe cộng đồng dân chúng xung quanh vùng xử lý

Phương pháp đồng tưới công cộng thích hợp để xử lý nước thải sinh hoạt hay nước thải công nghiệp chứa nhiều chất hữu cơ, không chứa vi sinh vật gây bệnh và kim loại nặng

3.2.1.2.Hồ sinh học

Hồ sinh học là hồ chứa nước thải được thiết kế sao cho các quá trình tự làm sạch tự nhiên phát huy tối đa khả năng hoạt động của chúng Hồ sinh học được áp dụng rộng rãi hơn đồng lọc và đồng tưới Ưu điểm lớn nhất của hồ sinh học là chúng chiếm diện tích nhỏ hơn đồng lọc sinh học Ngoài những lợi ích trên , hồ sinh học còn có tác dụng hữu ích sau:

 Nuôi trồng thủy sản như nuôi tảo để làm thực phẩm gia súc hay thức ăn cho cá ( cá chép, cá rô phi)

 Cung cấp nước cho trồng trọt

 Điều hòa dòng chảy trong mùa mưa và hệ thống thoát nước ở đô thị

 Không đòi hỏi chi phí cao

 Bảo trì, điều hành đơn giản

3.2.2.Phương pháp sinh học xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo

Các phương pháp sinh học xử lý nước trong điều kiện tự nhiên có nhiều nhược điểm như:

Quá trình xử lý hay quá trình hoạt động của sinh vật trong nước cần xử lý không được kiểm soát chặt chẽ

Hiệu suất xử lý theo phương pháp này thường không cao do sự không ổn định về số lượng và số loài VSV tự nhiên có trong nước thải

Các yếu tố khác như nhiệt độ, pH cũng không đồng nhất trong quá trình xử lý

Trong khi đó, phương pháp sinh học xử lý nước trong điều kiện nhân tạo có những ưu điểm :

Toàn bộ quá trình sinh học xảy ra trong thiết bị kín, do đó ta hoàn toàn có thể kiểm soát được lượng khí thải sinh ra

Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo theo các tiêu chuẩn hiện hành và hoàn toàn ổn định

3.2.2.1.Phương pháp kỵ khí

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vật hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2,… trong đó có tới 65% là CH4( khí metan) Vì vậy, quá trình này cũng có thể gọi là quá trình lên men metan và quần thể vi sinh vật được gọi tên chung là các vi sinh vật metan

Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải hoặc môi trường để xây dựng tế bào, tăng sinh khối Người ta đã tính toán lượng chất hữu cơ dùng cho mục đích này chỉ khoảng 10%

so với tổng số các chất hữu cơ Do vậy, lượng bùn hoạt tính hình thành trong phân hủy kỵ khí là rất thấp

Người ta áp dụng phương pháp xử lý kỵ khí để xử lý các loại bã cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao : BOD đến 10 – 30 (g/l)

Một số công trình xử lý sinh học kỵ khí điển hình:

 Bể tự hoại: Được xây dựng bằng các cấu kiện betông đúc

sẵn, gạch đá…một ngăn hay nhiều ngăn với chức năng : lắng và lên men cặn lắng, thường dùng cho các hộ gia đình Bể tự hoại cũng được sử dụng trong xử lý cặn bùn của hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1 – 2 tháng, bùn được nâng nhiệt đến 350C và đáy bể có ván tháo

cặn Quá trình phân hủy bùn cặn được tăng cường khi bùn được khuấy trộn

 Bể lắng 2 vỏ: Được xây bằng gạch hoặc bêtông cốt thép hình

tròn hay chữ nhật, có đáy hình nón hay hình chóp cụt để chứa và phân hủy bùn cặn Bể lắng 2 vỏ có chức năng tương tự như bể tự hoại, nhưng có công suất lớn hơn Phía trên bể là các máng lắng đóng vai trò như bể lắng ngang Nước chuyển động chậm qua máng lắng Bùn lắng theo khe trượt xuống ngăn lên men, phân hủy và ổn định bùn cặn Bể lắng 2 vỏ được sử dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt có công suất nhỏ và trung bình (Q < 10000m3/ngày đêm) Bùn cặn lưu tron bể từ 1 – 6 tháng Hiệu suất lắng từ 55 – 60 % Tất cả các trạm xử lý nước thải và công nghiệp đều có thể sử dụng công trình này

 Bể metan: được xây bằng bêtông cốt thép hình trụ, đáy và

nắp hình nón Bể được sử dụng để phân hủy cặn lắng từ bể lắng I & II cũng như bùn hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải Ngoài ra, bể còn được dùng để phân hủy rác nghiền, phế thải rắn hữu cơ Các trạm xử lý nước thải đều có thể sử dụng công trình này

 Bể UASB – bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược : được sử dụng

rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm Bùn được xả ra khỏi bể UASB từ 3 – 5 năm/lần nếu nước thải đưa vào đã qua bể lắng I, hoặc 3 – 6 tháng/lần nếu nước thải đưa vào xử lý trực tiếp Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

 Ưu điểm: chi phí đầu tư, vận hành thấp, lượng hóa chất cần bổ sung ít, không đòi hỏi cấp khí, do đó, ít tiêu hao năng lượng, có thể thu hồi tái sử dụng năng lượng từ

biogas, lượng bùn sinh ra ít, cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao, giảm diện tích công trình

 Khuyết điểm: giai đoạn khởi động kéo dài, dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động Bị ảnh bởi các chất độc hại Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động

3.2.2.2.Phương pháp hiếu khí

Nguyên tắc của công nghệ này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan

ở nhiệt độ, pH … thích hợp Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)nNS + O2  CO2 + H2O + NH4+ + H2S + tế bào vi sinh vật + …ΔH Trong điều kiện hiếu khí NH4+ và H2S cũng bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hĩa, sunfat hĩa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O + ΔH ; H2S + 2O2  SO42- + 2H+ + ΔH Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí bao gồm quá trình dị dưỡng: vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và các nguyên tố khống vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản Quá trình phân hủy: vi sinh vật oxy hĩa cac chất hữu cơ hịa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác

So với cơng nghệ kỵ khí thì cơng nghệ hiếu khí cĩ các ưu điểm là những hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn Cơng nghệ hiếu khí khơng gây ơ nhiễm thứ cấp như phương pháp hĩa học, hĩa lý

Nhưng cơng nghệ hiếu khí cũng cĩ các nhược điểm: là thể tích cơng trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng Chi phí xây dựng cơng trình và đầu tư thiết bị lớn hơn Chi phi vận hành, đặc biệt chi phí cho năng lượng sục khí tương đối lớn Khơng cĩ khả năng thu hồi năng lượng Khơng chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ Sau xử lý sinh ra một lượng bùn dư lớn và lượng bùn này kém ổn định, do đĩ địi hỏi chi phí đầu tư để xử lý bùn

Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình sinh học hiếu khí

 Lượng oxy hòa tan trong nước là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng II có nồng độ oxy hòa tan là 2mg/l

 Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật

Trong nước thải, thành phần dinh dưỡng chủ yếu là nguồn cacbon ( được gọi là cơ chất hoặc chất nền được thể hiện bằng BOD) Ngoài BOD, cần lưu ý đến 2 thành phần khác : nguồn Nitơ ( thường ở dạng NH4+) và nguồn phospho (ở dạng muối phosphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi sinh vật Vi sinh vật phát triển còn cần tới một loạt các chất khoáng khác, như Mg, K, Ca,

Mn, Fe, Co…

Tỉ lệ các chất dinh dưỡng cho xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau: BOD: N: P = 100 : 5 : 1 Tỉ số này thường chỉ đúng cho 3 ngày đầu Trong thời gian này vi sinh vật trong Aerotank phát triển mạnh và bùn hoạt tính cũng được tạo thành nhiều nhất ( nhất là 1 – 2 ngày đầu tiên) Còn quá trình xử lý kéo dài thì tỉ lệ này cần là 200 : 5 : 1 ( thời gian xử lý có thể tới 20 ngày) Để cân đối dinh dưỡng có thể dùng các muối amon và phosphat bổ sung vào nước thải để tăng nguồn N và P

 Nồng độ cho phép của chất bẩn hữu cơ

Các loại nước thải có thể xử lý bằng Aerotank có lượng BOD vào khoảng 500mg/l, còn trường hợp cao hơn ( không quá 1000mg/l), phải xử lý bằng Aerotank khuấy trộn là hoàn chỉnh Nếu BOD cao quá mức trên đây thì ta phải pha loãng bằng nước được quy ước là sạch ( như nước sông, hồ không bị ô nhiễm) hoặc nước đã qua xử lý có lượng BOD ở dòng ra thấp Cũng có thể phải qua xử lý kỵ khí trước khi xử lý hiếu khí

 Các chất có độc tính ở trong nước thải

Để đảm bảo cho bùn hoạt tính được tạo thành và hoạt động bình thường trong nước thải cần phải xác định xem nước thải làm môi trường dinh dưỡng để nuôi vi sinh vật có thích hợp không, có kìm hãm, ức chế đến sinh trưởng và tăng sinh khối của chúng hay không?

 pH của nước thải

pH của nước thải có ảnh hưởng nhiều đến các quá trình hóa sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng Nói chung, pH thích hợp cho xử lý nước thải ở Aerotank là 6,5 – 8,5

 Nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải trong Aerotank có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống

của vi sinh vật Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải có thể là ưa ấm ( Mesophile ): chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 400C và tối thiểu là 50C Vì vậy, nhiệt độ xử lý nước thải chỉ trong khoảng 6 – 370C, tốt nhất là 15 – 350C

 Nồng độ các chất lơ lửng ( SS ) ở dạng huyền phù

Nếu nồng độ các chất lơ lửng không quá 100mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lý bằng Aerotank sẽ cho hiệu quả phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất

Đối với những nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng quá cao cần phải qua lắng I trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để có thể loại bỏ vẩn cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng

Các công trình sinh học hiếu khí

 Bể phản ứng hiếu khí (Aerotank): là quá trình xử lý sinh học hiếu khí,

trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, đã được duy trì và phát triển đến nay, với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp

 Mương oxy hóa: lần đầu tiên được ứng dụng xử lý nước thải tại Hà Lan

do tiến sĩ Pasver chủ trì Đây là một dạng Aerotank cải tiến khuấy trộn hoàn chỉnh trong điều kiện hiếu khí kéo dài, nước chuyển động tuần hoàn trong mương Mương oxy hóa được phân thành 2 nhóm chính: liên tục và gián đoạn

 Bể hiếu khí gián đoạn – SBR : là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt

tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn ( do quá trình làm thoáng và lắng trong được thực hiện trong cùng một bể)

Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1 – làm đầy,

2 – sục khí ( khử BOD), 3 – lắng trong, 4 – xả cặn dư và xả nước ra, 5 – chờ tiếp nhận nước thải mới Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác

 Lọc sinh học: thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu

phân phối nước cũng như không khí Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxi hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Như vậy, chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học

3.3 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BẰNG BÙN HOẠT TÍNH

3.3.1.Thành phần và tính chất bùn hoạt tính

3.3.1.1.Giới thiệu

Bùn hoạt tính là tập hợp các loại vi sinh vật hiếu khí khác nhau, có màu nâu

dễ lắng, kích thước từ 3 – 150 μm Trong xử lý nước thải bùn hoạt tính được ứng dụng trong các công trình như Bể Aerotank, SBR…

Bùn hoạt tính được hình thành qua một quá trình dài, nước thải có chứa các chất hữu cơ hòa tan và các chất lơ lửng đóng vai trò là hạt nhân cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính

Các vi sinh vật sẽ được cung cấp oxy thường xuyên qua hệ thống cung cấp trong quá trình phản ứng lượng bùn sinh ra không đủ nên cần tuần hoàn lại một phần bùn từ bể lắng đợt 2

3.3.1.2 Thành phần và tính chất bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính bao gồm những vi sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn màu nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình

mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi

là các ấu trùng sâu bọ Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia ra làm 8 nhóm:

 Hỗn hợp các vi khuẩn khác: Ecoli, Micrococus

Trong nước thải các tế bào của loài Zooglea có khả năng sinh ra bao nhầy

xung quanh tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng các chất màu chất gây mùi… và phát triển thành các bông cặn Các hạt bông cặn này khi được khuấy đảo và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật , nguyên sinh động vật và các chất độc Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tính

Trong bùn hoạt tính luôn có mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là

Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác

Quan hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “ mồi – thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ – vi khuẩn – động vật – nguyên sinh Khi bùn lắng xuống

là “ bùn già” hoạt tính bùn bị giảm Hoạt tính của bùn có thể được hoạt hóa trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ.Công thức bùn hoạt tính thường dùng trong các tính toán là C5H7O2N

3.3.2.Vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính

Thành phần của vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính chứa 70 – 90% chất hữu cơ, 10 – 30% chất vô cơ Vi khuẩn, nấm, protozoa, rotifer, metazoa hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính

 Vi khuẩn : chúng chiếm ưu thế ( 90%) trong hệ thống xử lý Sự phát triển của

vi khuẩn phụ thuộc điều kiện môi trường, các yếu tố về thiết kế, vận hành hệ thống và tính chất của nước thải Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0,3 – 1mm Trong hệ thống bùn hoạt tính có sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn kỵ khí Một số vi khuẩn dị dưỡng

thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas và Zoogloea ( Jenkins, et al.,1993) Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hóa amonia thành nitrat là: vi khuẩn Nitrobacter và Nitrosomonas

 Nấm : là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính Các vi sinh vật đa bào này tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong môi trường hoạt động Chỉ có một lượng nhỏ nấm có khả năng oxy hóa NH3 thành nitrit

và nitrat Các loại nấm thông thường là : Sphaerotilus natans và Zoogloea sp

(Curtis, 1969)

Hình 3.1.Nitrosomonas Hình 3.2.Zoogloea

 Protozoan: là vi sinh vật có kích thước 10 – 100 micron được phát hiện trong

hệ thống bùn hoạt tính Đây là nhóm vi sinh vật chỉ thị cho hoạt động của hệ

thống xử lý nước thải Trong hệ thống bùn hoạt tính, protozoan được chia làm

4 nhóm chính: Protozoa, amip, flagellates và ciliates ( dạng bơi tự do, dạng

bò trườn, dạng có tiên mao)

 Protozoa :là một tổ chức lớn nằm trong nhóm eukaryotic, với hơn

50.000 loài đã được biết đến Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn

Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng từ 4 – 500mm

 Amip: thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng không tồn tại

lâu tại các bể hiếu khí Amip chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu

khí có tải cao Chúng di chuyển chậm và khó cạnh tranh thức ăn, nhất

là khi nguồn thức ăn bị hạn chế, nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể

hiếu khí trong một khoảng thời gian ngắn Thức ăn của Amip là các

chất hữu cơ có kích thước nhỏ Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện nhiều

Amip chứng tỏ đang bị sốc tải Khi đó DO thấp ( amip tồn tại được

trong môi trường DO rất thấp)

Hình 3.5.Protozoa

 Flagellates : ngay sau khi Amip bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn còn chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, thì Flagellates xuất hiện Phần lớn Flagellates hấp thụ các chất dinh dưỡng hòa tan Cả Flagellates và

vi khuẩn đều sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn thức ăn Tuy nhiên,

khi thức ăn giảm Flagellates khó cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định,

điều này chứng tỏ nước thải vẫn còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ hòa tan

 Ciliates : thức ăn của Ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng Ciliates cạnh tranh nguồn thức ăn với Rotifer Sự hiện diện của Ciliates

chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo bông và phần lớn các chất hữu cơ đã

được loại bỏ Có 3 loại Ciliates : các Ciliates bơi tự do xuất hiện khi Flagellate bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của các Ciliates bơi tự do này Các loài Ciliate trườn, bò: khi kích thước bùn lớn và ổn định, loài Ciliate này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loài Ciliate bơi tự do là nhờ vào khả năng này Các loài Ciliate có tiên mao: xuất hiện ở bùn đã rất ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các loài Ciliate trườn, bò cạnh tranh nhau về thức ăn Ciliates hiện diện trong bùn hoạt tính là Aspidisca costata, Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta, Trachelophyllum pusillum… Ciliates có nhiệm

vụ loại bỏ Escherichia Coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm Trong thực tế,

bùn hoạt tính có thể khử 91 – 99% E.Coli

 Rotifer: là động vật đa bào có 2 bộ tiên mao chuyển động xoay tròn, làm cho

hình dạng của chúng như 2 bánh xe xoay đối nhau Chúng di động nhanh trong nước, có khả năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguồn thức ăn, giống

Protozoa Đây là vi sinh vật hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của

nước thải Chúng thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định,

nước có hàm lượng hữu cơ thấp Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong các hệ thống xử lý nước thải Vai trò chính của Rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn Chính Rotifer sử dụng vi khuẩn không tạo bông, làm giảm độ đục của nước thải Các màng nhầy được Rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bông dễ dàng Rotifer cần thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý Rotifer phát hiện trong bùn cũ và điều

kiện O2 đầy đủ Nhạy cảm với độc tố và sự thay đổi thành phần nước thải

3.3.3 Đặc điểm và nguyên lý làm việc của bể Aerotank

Bể phản ứng sinh học hiếu khí – aerotank là công trình bêtông cốt thép hình khối chữ nhật hoặc hình tròn, cũng có trường hợp người ta chế tạo các aerotank bằng sắt thép hình khối trụ Thông dụng nhất hiện nay là các aerotank hình bể

Hình 3.9.Rotifer Hình 3.10.Rotifer

khối chữ nhật Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cường quá trình oxy hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước

Nước thải sau khi được xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aerotank Các chất lơ lửng này là một

số chất rắn và có thể là các chất hữu cơ chưa phải là dạng hòa tan Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước Chính vì vậy, xử lý nước thải ở aerotank được gọi là quá trình xử lý với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật Các hạt bông cặn này cũng chính là bùn hoạt tính Bùn họat tính là các bông cặn có màu nâu sẫm, chứa các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải và là nơi cư trú cho các loại vi khuẩn cùng các vi sinh vật bậc thấp khác, như nguyên sinh động vật sống và phát triển

Trong nước thải có những hợp chất hữu cơ hòa tan – loại hợp chất dễ bị vi sinh vật phân hủy nhất Ngoài ra, còn có các loại hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy hoặc loại hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo – các dạng hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được vi khuẩn tiết ra enzym ngoại bào, phân hủy thành những chất đơn giản hơn rồi sẽ thẩm thấu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2

và H2O Các hợp chất hữu cơ ở dạng keo hoặc ở dạng các chất lơ lửng khó hòa tan là các hợp chất bị oxy hóa bằng vi sinh vật khó khăn hoặc xảy ra chậm hơn Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn

 Giai đoạn 1: tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển Hàm lượng oxy cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn chất dinh dưỡng trong nước thải đang rất phong phú, lượng sinh khối bùn trong thời gian này rất ít Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh mẽ theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần, vào cuối giai đoạn này rất cao Tốc độ tiêu thụ oxy

vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2 Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần

 Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực hoạt enzym đạt tối đa

và kéo dài trong thời gian tiếp theo Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt tối

đa, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi trong một thời gian khá dài

 Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình nitrat hóa amoniac xảy ra Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc

Sau khi oxy hóa được 80 – 95% BOD trong nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước Nếu không kịp thời tách bùn, nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp, nghĩa là sinh khối vi sinh vật trong bùn ( chiếm tới 70% khối lượng cặn bùn) sẽ bị tự phân Tế bào vi khuẩn có hàm lượng protein rất cao ( 60 – 80% so với chất khô), ngoài ra còn có các hợp chất chứa chất béo, hidratcacbon, các chất khoáng …khi bị tự phân sẽ làm ô nhiễm nguồn nước

3.3.4 Phân loại Aerotank Có nhiều cách phân loại Aerotank

 Phân loại theo chế độ thủy động: aerotank đẩy, aerotank khuấy trộn và aerotank hỗn hợp

 Phân loại theo chế độ làm việc của bùn hoạt tính: aerotank có ngăn hoặc

bể tái sinh ( hoạt hóa) bùn hoạt tính tách riêng và loại không có ngăn tái sinh bùn hoạt tính tách riêng

 Theo tải trọng BOD trên 1 gam bùn trong một ngày ta có : aerotank tải trọng cao, aerotank tải trọng trung bình và aerotank tải trọng thấp

 Theo số bậc cấu tạo trong aerotank ( xây aerotank có nhiều ngăn hoặc hành lang ) ta có các aerotank 1 bậc, 2 bậc, 3 bậc…

3.3.4.1 Bể bùn hoạt tính truyền thống

Bùn hoạt tính dòng truyền thống đầu tiên được sử dụng là các bồn hiếu khí dài, hẹp Lượng oxy cần dùng thay đổi dọc theo chiều dài của bể phản ứng sinh hóa

Do đó hệ thống này sử dụng các thiết bị thông gió làm thoáng bề mặt để lượng oxy cung cấp phù hợp với nhu cầu sử dụng dọc theo chiều dài bể Bể phản ứng thường có dạng hình chữ nhật, với dòng vào và tuần hoàn bùn hoạt tính đi vào bể ở một đầu và chất lỏng trong bể được hòa trộn (dòng thải) sẽ đi ra ở đầu đối diện

Lượng không khí cấp vào từ 55m3/1kg BOD5 đến 65m3/1kg BOD5 cần khử Chỉ số thể tích bùn thường dao động từ 50 – 150 mg/g bùn, tuổi của bùn thường từ 3 – 15 ngày Nồng độ BOD đầu vào thường < 400mg/l, hiệu quả làm sạch thường từ

80 – 95%

3.3.4.2 Bùn hoạt tính tiếp xúc – ổn định

Hệ thống này chia bể phản ứng thành 2 vùng: Vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ trong nước thải đầu vào Vùng ổn định là nơi bùn hoạt tính tuần hoàn từ thiết bị lọc được sục khí để ổn định vật chất hữu cơ

Vì vậy, bể bùn loại này được sử dụng để có thể vừa làm giảm thể tích bể phản ứng, hoặc có thể làm gia tăng khả năng lưu chứa bùn của bể bùn của bể bùn hoạt tính truyền thống

Hiệu quả xử lý của hệ thống này thường đạt 85 – 95%BOD5 và các chất rắn

lơ lửng Bể bùn tiếp xúc ổn định thường dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt với lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ dưới dạng các phần tử chất rắn

3.3.4.3.Bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài

Thường có thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hóa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 – 30 ngày, đồng nghĩa với việc cần thời gian lưu nước khoảng 24 giờ để duy trì khả năng pha trộn nồng độ các chất rắn lơ lửng trong nước Thời gian lưu nước kéo dài có 2 tác dụng: làm giảm lượng chất rắn bị loại bỏ và làm tăng sự ổn định của quá trình Tuy nhiên, đối với bể phản ứng loại lớn thì yếu tố này

sẽ gây một số bất lợi, đó là hạn chế khả năng phối trộn

3.3.4.4.Bể bùn hoạt tính thông khí cường độ cao có khuấy đảo hoàn

Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cường độ cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử lý nước thải có mức độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao Aerotank loại này sẽ có thời gian làm việc ngắn Rút ngắn được thời gian thông khí bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ bùn hoạt tính ( thời gian lưu bùn trong bể ngắn) Trong bể Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn đều, tức thời Do vậy, nồng độ bùn hoạt tính và oxy hòa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxy hóa được đồng đều và hiệu quả cao

 Ưu điểm của công nghệ này là:

Pha loãng ngay tức khắc nồng độ các chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại Không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở một nơi nào trong bể

Thích hợp cho xử lý các loại nước thải có tải trọng cao, chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng

 Nhược điểm: chi phí đầu tư cao và vận hành cao

đó cung cấp khả năng chọn lọc hiệu quả để vi sinh vật có thể dễ dàng phân hủy các chất nền hữu cơ ở tốc độ cao

Bể bùn hoạt tính chọn lọc thường chia thành từng khối thể tích nhỏ, chứa trong các ngăn riêng biệt Dòng chảy xuống từ bể phản ứng có thể được pha trộn hoàn toàn hay chỉ là dòng chảy kín

3.3.4.6 Bể bùn hoạt tính khuấy trộn hoàn toàn

Bể dùng để xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ đậm đặc, đặc biệt là các chất hữu cơ khó phân hủy Việc xử lý loại nước thải này thường khó thực hiện trong

bể bùn hoạt tính truyền thống do nồng độ các chất hữu cơ đầu vào quá cao, ngăn chặn sự tạo thành sinh khối, khiến cho quá trình xử lý kém hiệu quả

Ưu điểm chính của hệ thống này là pha loãng ngay tức khắc nồng độ các chất độc hại ( kim loại nặng) trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng

3.3.4.7.Bể bùn hoạt tính cấp khí giảm dần

Được áp dụng khi thấy rằng ở đầu vào của bể cần lượng oxy lớn hơn ( do nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể), do đó phải cung cấp không khí nhiều hơn ở đầu vào và giảm dần ở các ô tiếp theo để đáp ứng cường độ tiêu thụ oxy không đều trong toàn bể

 Ưu điểm

Giảm được luồng không khí cấp vào, nghĩa là giảm công suất của máy thổi khí

Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của

vi khuẩn khử các hợp chất chứa nitơ

Có thể áp dụng ở tải trọng cao ( F/M cao), chất lượng nước ra tốt hơn

3.3.4.8.Bể bùn hoạt tính nạp nước thải theo bậc

Dòng nước thải được đưa vào hệ thống này ở những vị trí khác nhau dọc theo chiều dài bể Có nhiều dạng bể bùn hoạt tính loại này với việc phân bố vị trí cung cấp dòng vào tùy thuộc vào hình dạng thiết kế

Nạp theo bậc có tác dụng làm cân bằng tải trọng BOD theo thể tích và làm giảm độ thiếu hụt oxy ở đầu bể và lượng oxy cần thiết được trãi đều theo dọc bể, làm cho hiệu suất sử dụng oxy tăng lên, kết quả vận hành hệ thống này thường loại bỏ được từ 80 – 95%BOD5 và các chất lơ lửng khỏi nước thải

3.3.4.9.Bể hiếu khí gián đoạn – SBR

Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn ( do quá trình làm thoáng và lắng trong được thực hiện trong cùng một bể) Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của

 Làm đầy

 Sục khí ( khử BOD5)

 Lắng trong

 Xả cặn dư và xả nước ra

 Chờ tiếp nhận nước thải mới

Pha làm đầy có thể ở các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thông khí, tùy thuộc vào đối tượng cần xử lý Trạng thái tĩnh có được là do năng lượng đầu vào thấp và nồng

độ các chất nền cao ở cuối giai đoạn Trạng thái khuấy trộn là do có sự khử nitrat ( khi có sự hiện diện của nitrat) các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào, và cần phải có điều kiện thiếu hoặc kỵ khí cho quá trình loại bỏ sinh hóa P Trạng thái thông khí là do xảy ra các phản ứng hiếu khí ban đầu, làm giảm thời gian tuần hoàn và giữ nồng độ chất nền ở mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao

3.4 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

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 vật 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: rt= μX (3 – 1)

Trong đó:

rt: Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nghĩa là khối lượng/ đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian (g/m3.s)

μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s)

X: nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 hay mg/l)

Công thức (3 - 1) có thể viết dưới dạng rt= x

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 liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (

1942, 1949)

S K

S

s m





 ( 3 – 3 ) Trong đó:

μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s)

μm: 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)

Thay giá trị μ ở phương trình ( 3 – 3 ) vào phương trình ( 3 – 1) ta có:

S K

XS r

s

m t



 

(3 – 4)

3.4.1.2.Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền

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 hóa 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 quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau:

rt = - Yrd (3 – 5) Trong đó:

rt: 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)

  K S

KXS S

K Y

XS r

s s

m d

3.4.1.3.Ảnh hưởng của hô hấp nội bào

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 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 hủy nội bào ( endogenous decay) Quá trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau:

C5H7O2N + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (3 – 7)

r’t: tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn (1/s)

Tốc độ tăng trưởng riêng thực sẽ là:

d s

S K

d

t b

r

r

y  ' (3 – 11)

Tế bào