Đề tài Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MỤC LỤC Trang MỤC LỤC........................................................................................................................1 DANH SÁNH HÌNH .......................................................................................................4 DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................5 CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN......................1 1. CÁC NGUỒN NƯỚC...............................................................................................1 2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC..........................................................................2 2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên............................................................................................2 2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo ...........................................................................................3 3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN. ............................4 CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI....................................................6 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC...........6 1.1. Xử lý hiếu khí.....................................................................................................7 1.2. Xử lý kỵ khí .......................................................................................................9 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ........................................................................................................10 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn ....................................................................11 2.2. Loài này ăn loài khác .......................................................................................11 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật ................................11 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN.............................14 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc ........................................................................14 3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa.............................................................................16 4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT.....................19 4.1. Tăng trưởng tế bào ...........................................................................................19 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền.....................................................................19 4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất ............................................................20 4.4. Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào.................................................................21 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ...................................................................................22 5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT ...............................23 5.1. Quá trình tự làm sạch .......................................................................................23 5.2. Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước.....28 5.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nguồn nước............................................29 6. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ................................32 6.1. Bể lọc sinh học nhỏ giọt..................................................................................32 6.2. Bể bùn hoạt tính ...............................................................................................39 6.3. Bể Mêtan ..........................................................................................................46 6.4. Bể tự hoại .........................................................................................................51 6.5. Bể lắng hai vỏ và bể lắng trong kết hợp lên men.............................................51 CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ......................52 1. VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ...................................52 2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT .............................52 2.1 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ.......................52 2.2 Động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ .........................53 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ .....................................................................................................................................56 3.1 Các loại vi sinh vật............................................................................................56 3.2 Các loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật .................................................58 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật ......................................59 4. COMPOST..............................................................................................................61 4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí ...............................................................61 4.2 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình làm phân compost................................63 5. BIOGAS..................................................................................................................64 6. BÃI CHÔN LẮP.....................................................................................................65 CHƯƠNG 4 VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.................................................66 1. SỐ LƯỢNG VÀ CHỦNG LOẠI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.............66 2. CÁC LOẠI BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN KHÔNG KHÍ...........................................66 3. KIỂM SOÁT VI SINH VẬT TRONG KHÍ ...........................................................67 4. LẤY MẪU VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ...............................................68 5. ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ .....69 CHƯƠNG 5 VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỆ SINH ..............70 1. NHỮNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH....................................................................70 1.1 Khái niệm về dịch tế bào học và các đường truyền bệnh .................................70 1.2 Những bệnh truyền nhiễm qua nước.................................................................71 2. NHỮNG CHỈ TIÊU VỆ SINH VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC.....................74 2.1 Những khái niệm chung về những vi sinh vật chỉ thị vệ sinh...........................74 2.2 Đánh giá nước dùng để ăn uống........................................................................76 CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG.......................................................................................................................80 1. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG BẰNG NHIỆT...................................................80 1.1 Khử trùng trực tiếp bằng ngọn lửa ....................................................................80 1.2 Khử trùng bằng nhiệt khô .................................................................................80 1.3 Khử trùng bằng nước sôi...................................................................................80 1.4 Khử trùng bằng Autoclave áp suất, nhiệt độ.....................................................81 1.5 Phương pháp khử trùng Fraction.......................................................................83 1.6 Phương pháp khử trùng Pasteur ........................................................................83 1.7 Khử trùng bằng dầu nóng..................................................................................83 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG VẬT LÝ ...................................................83 2.1 Phương pháp lọc (Filtration) .............................................................................83 2.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light)................................................84 2.3 Các dạng tia khử trùng khác (Other Type of Radiaton)...................................85 2.4 Sóng siêu âm Ultrasonic Vibbration (U.V).......................................................85 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN .....................................................................86 3.1 Phương pháp làm khô .......................................................................................86 3.2 Phương pháp hạ nhiệt độ...................................................................................86 4. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHỬ TRÙNG QUAN TRỌNG...............................87 4.1 Halogen .............................................................................................................88 4.2 Phenol và các hợp chất phenol..........................................................................89 4.3 Kim loại nặng....................................................................................................89 4.4 Alcohol (rượu)...................................................................................................90 5. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHÁC ......................................................................90 5.1 Formaldehyde....................................................................................................90 5.2 Ethylene Oxyde (EtO).......................................................................................91 5.3 Glutaraldehyde ..................................................................................................91 5.4 Hydrogen Peroxyde (H2O2) ..............................................................................91 5.5 Xà bông và chất tẩy rữa ....................................................................................92 5.6 Thuốc nhuộm ....................................................................................................92 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5.7 Acid...................................................................................................................93 BÀI THỰC HÀNH........................................................................................................94 BÀI 1: GIỚI THIỆU ...................................................................................................95 BÀI 2: KIỂM TRA TỔNG SỐ VI KHUẨN...............................................................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................100 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁNH HÌNH Trang Hình 1. 1: Chu trình thủy văn ...........................................................................................1 Hình 1. 2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng đặc biệt. ...........................................................................................................................20 Hình 1. 3: Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy ..............................................................24 Hình 1. 4: Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông ........................................................................................................................24 Hình 1. 5: Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ.....................................................28 Hình 1. 6: Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị nhiễm...............................................................................................................................30 Hình 1. 7: Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau....................................30 Hình 1. 8: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối ...............................................................31 Hình 1. 9: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm...........................................................31 Hình 2. 1: Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg...............9 Hình 2. 2: Quá trình phân hủy kỵ khí .............................................................................10 Hình 2. 3: Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp ..................................12 Hình 2. 4: Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ ......................................................................................................................13 Hình 2. 5: Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn .....................................................14 Hình 2. 6: Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật ....................................................................18 Hình 2. 7: Sơ đồ cấu tạo bể lọc sinh vật..........................................................................33 Hình 2. 8: Sơ đồ nước chảy trên bề mặt hạt vật liệu lọc. ................................................36 Hình 2. 9: Sơ đồ chuyển hóa vật chất giữa màng nước chuyển động và màng nước cố định..................................................................................................................................37 Hình 2. 10: Bể thổi khí – SBR ........................................................................................40 Hình 3. 1: Vi khuẩn hình que ..........................................................................................57 Hình 3. 2: Men ................................................................................................................57 Hình 3. 3: Đống ủ compost .............................................................................................61 Hình 3. 4: Luống ủ compost và máy xáo trộn.................................................................62 Hình 4. 1: Ô nhiễm không khí do công nghiệp...............................................................66 Hình 4. 2: Ô nhiễm không khí do cháy rừng...................................................................67 Hình 4. 3: Thiết bị thu mẫu khí .......................................................................................68 Hình 4. 4: Lấy mẫu không khí ngoài hiện trường...........................................................69 Hình 6. 1: Autoclave .......................................................................................................81 Hình 6. 2: Autoclave công nghiệp...................................................................................82 Hình 6. 3: Máy lọc ..........................................................................................................84 Hình 6. 4: Máy sản xuất tia cực tím................................................................................84 Hình 6. 5: Máy phát sóng siêu âm ..................................................................................86 Hình 6. 6: Phun hóa chất khử trùng ................................................................................87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 4 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1. 1: Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học ..........................22 Bảng 1. 2: Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt ......22 Bảng 1. 3: Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất..............23 Bảng 1. 4: Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960)...........................26 Bảng 1. 5: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước...................................................................................................................................5 Bảng 2. 1: Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất ........................15 Bảng 2. 2: Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa .......34 Bảng 2. 3: Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa. ................................................................35 Bảng 3. 1: Các chất nhận điện tử trong phản ứng của vi sinh vật...................................58 Bảng 3. 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào...............59 Bảng 3. 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật. ...................................................60 Bảng 3. 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí ...........63 Bảng 6. 1: Tóm tắt các tác nhân vật lý được sử dụng để kiểm soát VSV.......................87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN Nhìn chung những quá trình sinh hóa diễn ra trong các nguồn nước thiên nhiên không phức tạp như khi xử lý chất thải, vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên, nước cấp ít hơn, cả về lượng lẫn loại các chất. Một trong những nhiệm vụ của người kỹ sư môi trường là phải cung cấp nước sạch, vô trùng cho dân. Chúng ta hãy xét các loại nguồn nước, sự nhiễm bẩn và quá trình tự làm sạch của nước nguồn, đặc biệt là nguồn nước mặt để tạo cơ sở cho sự hiểu biết và làm việc sau này. 1. CÁC NGUỒN NƯỚC Tất cả các loại nước trong thiên nhiên đều qua dạng nước mưa. Nước bay hơi từ đại dương, ngưng tụ lại thành những đám mây rồi lại rơi xuống lục địa ở dạng mưa, tuyết. Sau đó nước tập trung vào sông hồ rồi lại chải ra biển - đại dương. Chu trình thủy văn được minh họa ở (hình 1.1). Đối với chúng ta, kỹ sư môi trường có thể phân biệt 3 loại nguồn nước: Đó là nước mưa, nước mặt và nước ngầm. Hình 1. 1: Chu trình thủy văn Nước mưa. Về mặt vệ sinh - vô trùng học và hóa học, thì nước mưa sạch nhất, chỉ có nhược điểm là nồng độ muối trong đó quá ít, nhưng rất dễ khắc phục bằng cách cho thêm muối vào. Tuy nhiên trong thực tế người ta chỉ dùng nước mưa làm nguồn nước cục bộ cho những đối tượng yêu cầu ít nước. Nước ngầm. Về mặt vệ sinh thì nước ngầm kém hơn nước mưa, nhưng sạch hơn nước mặt. Nhiều khi không xử lý mà vẫn sử dụng được. Thực chất nước ngầm là do Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG nước mặt thấm xuống đất. Thành phần hóa lý của nước ngầm tùy thuộc cấu tạo địa chất và thành phần nước mặt. Đối với nước ngầm, sự nhiễm bẩn về vi khuẩn rất đa dạng. Thông thường nước ngầm, mạch nông bị nhiễm bẩn nhiều hơn so với nước ngầm mạch sâu. Càng thấm sâu xuống lòng đất, vi khuẩn càng ít đi bởi lớp đất trên cùng có khả năng giữ lại hầu hết các vi khuẩn. Nhiều số liệu cho thấy ở dưới các hố phân, vi khuẩn không thể xâm nhập xuống chiều sâu 30 - 40 cm cách mặt đất. Tuy nhiên có khi ở độ sâu 1,5 m và hơn nữa cũng phát hiện thấy có vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn. Các chất hóa học thấm xuống lòng đất sâu hơn. Nhưng trong quá trình thẩm thấu cùng với nước xuống đất, các chất đó có thể bị thay đổi thành phần. Chẳng hạn cách mặt đất 0,5 m nhiều chất hữu cơ đã bị phân hủy - bị oxy hóa. Người ta đã nghiên cứu, phân tích và cho thấy, ở độ sâu 30,5 cm, BOD không vượt quá 5 mg/l, thậm chí khi BOD ban đầu trên mặt đất đạt tới 100 mg/l. Ở độ sâu đó không còn thấy photphat nữa. Vi khuẩn và hóa chất không chỉ thẩm thấu theo chiều sâu, mà còn khuếch tán theo chiều ngang. Thí nghiệm cho thấy, cùng với nước ngầm các hóa chất cũng bị khuếch tán xa hơn vi khuẩn. Khoảng cách khuếch tán tùy thuộc lượng bẩn ban đầu, tính chất đất, kích thướt hạt. Tuy nhiên, có thể coi rằng vi sinh vật không thể thấm vào giếng nước cách xa nguồn bẩn 20 m đối với đất pha sét, 200 m đối với đất cát (Jucốp và Ampolski 1951). Nước mặt. Khi mưa rơi xuống mặt đất, chảy vào các sông hồ nên gọi là nước mặt. Nước mặt bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ. Nước mặt rất giàu các chất dinh dưỡng - môi trường tốt cho nhiều loại vi sinh vật phát triển, kể cả nấm và động vật hạ đẳng. 2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể do tự nhiên hoặc nhân tạo. Các chất bẩn có thể ở dạng chất lơ lửng, keo, tan, chất độc, vi sinh vật, sinh vật,… Sự nhiễm bẩn tự nhiên: là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ hoặc do các sản phẩm sống – hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật – kể cả xác chết của chúng. Sự nhiễm bẩn do nhân tạo: chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công nghiệp cũng như tàu thuyền xả ra. 2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên Trên đây ta xét nước mưa ở góc độ nguồn cung cấp, bây giờ ta xét nước mưa – là một loại nước thải, một tác nhân vận chuyển chất bẩn vào sông hồ. Như đã biết, nước mưa hoặc tuyết là nguồn bổ cập cho nguồn nước mặt, nước ngầm. Thành phần nước mưa biến đổi theo thời gian, không gian, và tùy thuộc lượng các tạp chất bẩn trong không khí, trên mặt đất. Chẳng hạn, ở gần các trung tâm công nghiệp, nước mưa sẽ bảo hòa các khí thải của công nghiệp ngay trên không và bão hòa các chất bẩn công nghiệp cả trên mặt đất. Nếu ở trong những khu vực nghiên cứu hạt nhân thì nước mưa chứa cả các chất phóng xạ… Ngay cả lượng mưa cũng ảnh hưởng tới thành phần nước sông hồ. Nếu tính rằng với thời gian 20 phút, thì lượng nước mưa ở Hà Nội hay ở các thành phố Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ở Việt Nam sẽ là bao nhiêu và tập trung vào sông hồ chứa bao nhiêu chất bẩn từ các mặt phủ, mặt đất ở các vùng? Nước mưa cũng rất bẩn và ảnh hưởng nhiều tới chế độ dòng chảy của sông hồ và chất lượng nước trong đó. 2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo Nước thải đô thị. Là nước thải sinh hoạt và công nghiệp trong phạm vi đô thị. Hàng ngày trung bình mỗi người thải ra 1 lượng chất bẩn đáng kể 65g chất lơ lửng, 35g BOD5 (nước đã lắng), 40g BOD20 (nước đã lắng), 8g nitơ amon, 1,7g photphat theo P2O5, 9g clorua. Ở nước Mỹ và Tây Âu, các giá trị trên còn cao hơn. Trong nước thải đô thị chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Những vi sinh vật chiếm một khối lượng đáng kể các chất hữu cơ trong nước thải. Về thành phần cơ lý, các chất bẩn trong nước thải bao gồm các chất lơ lửng không tan (huyền phù), keo và tan. Theo Heukelekian và Balmat, trong nước thải sinh hoạt các chất dạng huyền phù chứa 80% là hữu cơ, keo và các chất tan chủ yếu là các chất khoáng. Các chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt là những chất béo, đạm (chứa nitơ), đường (chứa carbon), như xenlulo, hemixenlulo, pectin, tinh bột,….Ngoài ra trong nước thải còn chứa cation Na+, K+,…. Nước thải sản xuất – công nghiệp. Nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải ra một lượng nước khổng lồ như công nghiệp luyện kim đen, hóa học, chế biến lọc hóa dầu, dệt nhuộm, thực phẩm…Thành phần, tính chất nước thải công nghiệp rất đa dạng. Ngoài các chất bẩn thông thường, trong nước thải công nghiệp còn chứa nhiều chất độc hại. Khi lẫn với nước nguồn chúng sẽ tiêu diệt các loài thủy sinh vật. Khi nền công nghiệp càng phát triển, các chất bẩn mới xuất hiện càng nhiều, mức độ độc của chúng đối với vi sinh vật lại chưa rõ. Vì vậy phải xác định độ độc của các chất cũng như nồng độ giới hạn cho phép của chúng đối với các loài vi sinh vật, phải xác định mức độ cần thiết làm sạch, các phương pháp xử lý nước thải. Trong các xí nghiệp công nghiệp còn có cả loại nước thải quy ước sạch. Đó là các loại nước làm nguội thiết bị, sản phẩm, nhất là các nhà máy nhiệt điện. Tuy nước này không bẩn, nhưng có thể ngẫu nhiên do sự cố thiết bị nên cũng có thể làm nhiễm bẩn nguồn nước. Các loại nước này có thể làm nhiệt độ nước nguồn tăng lên, làm nghèo oxy trong đó hoặc làm sinh vật bị tiêu diệt. Nước tưới tiêu - thủy lợi. Trong nông nghiệp sử dụng nhiều nước để tưới ruộng. Hệ thống nước tưới tiêu của thủy lợi là sản phẩm quan trọng trong cách mạng xanh. Nước tưới ruộng phần lớn thấm xuống đất và bay hơi, một phần qui lại hồ. Phần nước này mang theo chất lơ lửng xói mòn từ đất, nhiều loại độc, thuốc trừ sâu…Vì khối lượng nước này quá nhiều, không thể thực hiện xử lý làm sạch được. Kết quả, một mặt gây ô nhiễm nguồn nước, mặt khác làm giảm độ phì của đất. Một điều nguy hiểm đối với các vùng khô, bay hơi mạnh, những kênh mương tưới rất nông cạn, nên lượng nước mất đi do bay hơi rất lớn. Kết quả làm tăng hàm lượng muối trong nước tưới và nước trồng, làm thay đổi thành phần nước ngầm. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Sự nhiễm bẩn do vận tải đường thủy. Vận tải đường thủy là vận tải kinh tế nhất. Tuy chậm nhưng ngày nay hình thức này rất phổ biến. Có thể nói ở các nước từ 50 -90% hàng hóa được vận tải bằng đường thủy. Trong công nghiệp lọc hóa dầu, bất kỳ loại dầu nào cũng điều chứa nước. Khi vận chuyển, nước tích lại dưới đáy tàu. Sau khi bơm dầu đi, để tránh ô nhiễm sông biển, người ta cấm xả nước này gần bờ biển nếu hàm lượng dầu vượt quá 50 mg/l. Cho dù xả bằng cách nào cũng làm biển bị ô nhiễm và tiêu diệt sinh vật biển – nhất là thực vật – nguồn cung cấp oxy cho khí quyển ở đất liền. Ngoài các sản phẩm dầu, các tàu thuyền còn làm nhiễm bẩn sông biển do thải nước sinh hoạt. Vì vậy phải có thiết bị riêng trên tàu thuyền để xử lý hoặc rồi xả ra những vùng qui định. 3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN. Chất lượng nước nguồn được đánh giá trên cơ sở các số liệu phân tích lý hóa - vi sinh vật. Mỗi dạng phân tích đều có ưu nhược điểm nhất định và không thay thế nhau được. Để đánh giá tốt nhất thì nên có cả 3 dạng phân tích trên. Các chỉ tiêu phân tích hóa học cho phép đánh giá về lượng và đặt tính chất bẩn, ảnh hưởng của chúng đối với sự thay đổi chất lượng nước nguồn. Các chỉ tiêu phân tích vi sinh vật cho phép xác định xác xuất tồn tại trong nước của các loài vi sinh vật gây bệnh. Phân tích vi sinh vật giúp ta xác định mức độ bẩn của nước trên toàn cục diện, nhiều khi cũng cho phép xác định hậu quả của sự nhiễm bẩn đột xuất mà các phương pháp nghiên cứu hóa lí - vi sinh vật chưa thể thực hiện kịp thời ngay được. Phân tích sinh vật là dựa vào sự thích ứng 1 số sinh vật đối với nước có chất lượng nhất định. Hiện nay, có nhiều kiểu phân loại nguồn nước theo độ bẩn. Thí dụ, người ta phân ra 6 nhóm nguồn nước như ở(Bảng 1.1). Nguồn nước rất sạch, hoàn toàn không thấy dấu vết tác động của con người. Ở đó độ bão hòa oxy tới 95%, tới BOD5 không quá 1 mg/l, chất lơ lửng 3 mg/l. Nguồn này dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Nguồn nước sạch, về các chỉ tiêu hóa học không khác lắm so với những nguồn nước rất sạch nhưng đã thấy dấu vết hoạt động của con người - cụ thể là lượng vi khuẩn hoại sinh tăng lên. Nguồn này cũng dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Để khử trùng chỉ cần clorua hóa là đủ. Nguồn nước hơi bẩn, hàm lượng chất hữu cơ đã tăng lên, có ion clo và amon. Đó là các dấu hiệu bị nhiễm bẩn bởi nước mưa trên mặt đất, nước thải sinh hoạt chảy xuống. Nước hơi bẩn, phải xử lý thích đáng mới dùng để cấp nước sinh hoạt dân dụng được. Nước này dùng để nuôi cá hoặc các mục tiêu khác cũng được. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 4 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 1. 1: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước Chỉ tiêu hóa học Chỉ tiêu vi trùng học Oxy hòa tan Mức độ bẩn Hè Đông Lơ lửng BOD5 Độ oxy hóa Nitơ amon Colititre Số VK Đếm trực tiếp số VK Rất sạch Sạch Hơi bẩn Bẩn vừa Bẩn Rất bẩn 9 8 7-6 5 -4 3 -2 0 14 -13 12 -11 10 -9 5 -4 5 -10 0 1 -3 4 -10 11 -19 20 -50 51 -100 >100 0,5 -1 1,1 -1,9 2 -2,9 3 -3,9 4 -10 >10 1 2 3 4 5 -15 >15 0,05 0,1 0,2 -0,3 0,4 -1 1,1 -3 >3 10 -100 10 -1 1 -0,05 0,05 -0,005 0,005 -0,001 a.101 a.102 a.103 a.104 a.105 0,001 105 106 106 107 107 a.10P108 Ghi Chú: a là số bất kỳ từ 1- 9 Nguồn nước bẩn và rất bẩn, đã hoàn toàn mất tính chất tự nhiên. Mùa hè xông mùi khó chịu. Trong nước chứa nhiều CO2, các hợp chất sulphua, chứng tỏ do hoạt động của tàu bè, cảng. Do vậy nguồn nước này chỉ dùng cho giao thông tàu bè. Còn việc dùng cho tưới ruộng cũng bị hạn chế vì không thích hợp với nhiều loại cây trồng. Khi đánh giá độ bẩn của nguồn nước trước khi bước vào phân tích hóa học, nhiều khi các chỉ tiêu; màu, mùi, độ trong - đục cũng là các dấu hiệu quan trọng chứng tỏ sự có mặt của nhiều chất bẩn. Ví dụ: mùi các chất độc xả vào như phenol, dicloetan, dầu,…Dầu lẫn vào chẳng những có mùi mà còn có váng nổi lên. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ ( NH4+, PO43-) và tế bào mới. Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình thiếu khí, quá trình kỵ khí, thiếu khí và kỵ khí kết hợp và quá trình hồ sinh vật. Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ thống tăng trưởng lơ lửng (suspended - growth system), hệ thống tăng trưởng dính bám (attached – growth system), hoặc hệ thống kết hợp. Phương pháp sinh học có ưu điểm là rẻ tiền và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane). Vi sinh vật học cơ sở là phương tiện cho kĩ sư môi trường, để họ thiết kế, xây dựng và quản lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Điều quan trọng đối với kĩ sư môi trường là phải hiểu rằng tất cả các hệ sinh vật đều dựa trên nguyên tắc chung. Nhưng sự khác nhau giữa chúng là môi trường và thành phần môi trường. Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được giành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp. Mối quan hệ giữa việc chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào cùng với việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau: F = K1S+K2Os (2-1) Với F: lượng chất hữu cơ được chuyển hóa, mg/l theo BOD toàn phần S: lượng sinh khối tổng hợp được, mg/l chất hữu cơ volantin (chất khô không tro) Os: tiêu thụ oxy cho tổng hợp, mg/l oxy hòa tan tự do K1: 1,43 K2: 1,0 Hai hằng số được dùng để chuyển đơn vị đo lường thành mg/l oxy. Phương trình (2-1) có thể áp dụng cho hệ hiếu khí, còn hệ yếm khí thì khác. Ở hệ yếm khí thì không Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 6 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG có oxy tự do, chỉ có oxy hóa gián tiếp. Đó cũng là oxy hóa nhưng đó là oxy hóa yếm khí, bằng cách sử dụng chất hữu cơ có liên quan với lượng oxy hóa. 1.1. Xử lý hiếu khí Những hệ hiếu khí để xử lý nước thải bao gồm: bùn hoạt tính (aeroten), lọc sinh vật, hồ sinh vật hay hồ oxy hóa, cánh đồng tưới. Phương trình cơ bản được biểu thị trực tiếp theo oxy hòa tan, chừng nào hệ được duy trì trong điều kiện hiếu khí. Vì yêu cầu một năng lượng nhất định để tạo ra một lượng sinh khối nhất định, nên ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa tổng hợp và năng lượng bằng phương trình: Os = 0,7S (2-2) Thay giá trị này vào phương trình (2-1) ta được phương trình biểu thị mối quan hệ giữa lượng chất hữu cơ đã bị khử và lượng chất được tổng hợp: F = 2,13S (2-3) Vấn đề còn lại là xác định chính xác lượng sinh khối được tổng hợp. Đây không phải là do trực tiếp lượng tăng sinh khối mà tổng lượng tăng sinh khối hoạt tính cộng với lượng sinh khối hoạt tính bị giảm do trao đổi nội bào. S = ∆Ma + K3Mat (2-4) Với Ma: sinh khối hoạt tính của vi sinh vật, mg/l chất khô volatin (chất khô không tro) t: thời, h K3: 0,006 Thay vào (2-3) ta có: F = 2,13 ∆Ma + 0,012Mat (2-5) Đây là phương trình cơ bản được dùng để thiết kế các hệ xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Cần nhớ rằng đây không phải là phương trình duy nhất được sử dụng trực tiếp, mà còn phải kết hợp với các phương trình khác để giải bài toán. Quan trọng hơn về phương diện thiết kế là tốc độ phản ứng. Có hai mô hình về tốc độ trong hệ sinh học: Tốc độ tăng và tốc độ giảm. Tốc độ tăng (của phản ứng) diễn ra trong suốt khoảng thời gian của pha sinh trưởng lorarit. Trong khi đó, tốc độ giảm của phản ứng diễn ra ở cả pha sinh trưởng chậm dần lẫn pha oxy hóa nội bào. • Quá trình phân hủy háo khí chất thải hữu cơ: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 7 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG COHNS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha sinh trưởng logarit. Nhiều kĩ sư vệ sinh đã cố sử dụng pha sinh trưởng Log để ổn định - xử lý nước thải nhưng vô ích. Trong suốt pha sinh trưởng Log, tốc độ tổng hợp và do đó tốc độ oxy hóa là lớn nhất. Điều đó có nghĩa đơn giản là: đa số các loại nước thải có thể xử lý trong thời gian ngắn. Nhưng tiếc rằng, những vi sinh vật có hai đặc điểm sinh hóa ngăn cản việc sử dụng pha Log trong việc xử lý nước thải. Để duy trì pha sinh trưởng Log, phải đảm bảo tỷ lệ giữa thức ăn và vi sinh vật (F:M) luôn luôn lớn hơn 2. Với nước thải sinh hoạt, lượng thực phẩm không cao, do vậy chỉ có lúc bắt đầu xử lý trong hệ sinh học thì F:M mới cao. Ở mức tỷ lệ thức ăn cao như vậy, vi sinh vật không thể tạo bông, mà sẽ tản mạn trong nước thải. Nước ra khỏi pha sinh trưởng Log vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ chưa được chuyển hóa và nhiều vi khuẩn tản mạn. Chỉ có một số trạm xử lý nước thải công nghiệp có thể sử dụng pha sinh trưởng Log mà thôi. Pha sinh trưởng chậm dần. Pha sinh trưởng chậm dần bắt đầu khi pha sinh trưởng log kết thúc, khi nồng độ chất hữu cơ trở thành yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng của những tế bào mới. Tốc độ trao đổi chất trong pha sinh trưởng chậm dần không thể xác định được, bởi vì không thể ổn định và liên tục biến đổi khi nồng độ chất hữu cơ giảm. Pha sinh trưởng chậm dần sẽ ngừng lại khi tỷ lệ F:M giảm xuống tới 0. Đa số các hệ xử lý sinh học được vận hành giữa pha sinh trưởng chậm dần và pha hô hấp nội bào, sao cho tỷ lệ F:M ở thời điểm kết thúc vừa đủ để xác định nồng độ chất hữu cơ còn lại đảm bảo cho sinh khối ở trạng thái hoạt tính. Cần nhấn mạnh rằng tất cả các chất hữu cơ chủ yếu đã được ổn định, nghĩa là đã bị khử từ dạng tan và biến thành tế bào chất ở thời điểm kết thúc pha sinh trưởng chậm. Pha hô hấp nội bào. Sự sinh trưởng không dừng lại ở pha hô hấp nội bào, nhưng tốc độ phân hủy tế bào tăng lên và làm cho sinh khối hoạt tính giảm đi. Một lượng rất nhỏ được tổng hợp ở pha nội bào nhờ kết quả chuyển hóa chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm. Tốc độ phản ứng trong pha hô hấp nội bào đã được xác định một cách chính xác. Những số liệu thu được chứng tỏ rằng sinh khối hoạt tính bị phân hủy ở tốc độ 0,6%/giờ. Sinh khối hoạt tính (Ma) bị phân hủy thành hai hợp phần: một phần bị oxy hóa, một phần là chất trơ. Phần bị oxy hóa với tốc độ 0,5% trong 1 giờ. Trong khi đó phần trơ bị phân hủy với tốc độ 0.1% /giờ. Chuyển đổi thành phần sinh khối bị oxy hóa thành lượng oxy tiêu thụ ta sẽ được tốc độ tiêu thụ oxy là 0.7% trong 1giờ. Oe = 0,007 Mat (2-6) Xác định oxy tiêu thụ ở pha hô hấp nội bào là phương pháp duy nhất cho phép xác định sinh khối hoạt tính trong bùn sinh học. Chẳng hạn có thể xác định sinh khối hoạt tính Ma sinh khối không hoạt tính Mi của một sinh khối bất kỳ: Sinh khối tổng cộng = Ma + Mi (2-7) Bình thường việc xác định chất khô không tro (VS) của sinh khối vi sinh vật lơ lửng được tiến hành bằng cách xác định tổng lượng chất hữu cơ trong sinh khối. Từ lượng oxy tiêu thụ trong pha nội bào có thể tính được Ma rồi sau đó tính Mi. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 8 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 1 Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg 1.2. Xử lý kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 2.1): • Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử • Giai đoạn 2: Acid hóa • Giai đoạn 3: Acetate hóa • Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất thải hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… Trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 24% CHC cao phân tử Acid hữu cơ Acetic acid CH4 H2 76% 20% 52% 4% 72% 28% Quá trình nethane hoá Quá trình acctate hoá và khử hydro Quá trình thủy phân Hình 2. 2 Quá trình phân hủy kỵ khí Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anearobic Sludge Blanket – UASB): - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). Các phương trình cơ bản của trao đổi yếm khí và trao đổi hiếu khí khác nhau rất ít. Trong cả hai hệ, lượng chất hữu cơ cần thiết để hình thành tế bào chất đều như nhau. Các mô hình trao đổi chất có nhiều cấu trúc cơ bản giống nhau, năng lượng đòi hỏi để tạo ra một đơn vị tế bào chất cũng phải như nhau ở cả hai hệ. Chỉ có sự khác nhau giữa hai hệ là cơ chế tạo năng lượng và năng lượng sản ra trên một đơn vị chất hữu cơ đã chuyển hóa. Có thể thấy rằng, sự trao đổi yếm khí không hiệu quả trong việc sản sinh tế bào chất, nhưng việc sản sinh tế bào chất không phải là mục đích của hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa. Hệ xử lý nước thải bằng phuơng pháp sinh hóa yếm khí điển hình là tổng cộng của việc tạo axit và tạo mêtan. Khi mêtan có mức tan 0,17mg /l thì việc trao đổi yếm khí coi như được hoàn thành, dòng nước ra sẽ chứa ít chất hữu cơ và tạo ra lượng bùn ít nhất. Đó chính là ưu việt của biện pháp xử lý yếm khí nước thải. 2. ĐỘNG HỌC CÁC Q N THỂ SINH V TRONG CÁC CÔNG NH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong thiên n cũng như trong các g trình làm sạch nước thải thường tồn tại hỗn hợp các loài inh vật. Loài này có thể cạnh tranh với loài khác vì thức ăn. Có hai kiểu cạnh tranh các loài cùng tranh nh ột loại thức ăn và loài này dùng loài khác làm thức ăn. C Biên soạn: Ths Ngu nhiê vi s là: ạnh t yễn TUẦr h vì thức ăn là yế rần Thiện Khánh ẬT cônu quan trọng trong động quần thể. an au m tố TRÌ học 10 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn Trong cùng điều kiện môi trường như nhau, nếu loại vi sinh vật nào theo đặc tính trao đổi chất của mình, có khả năng đồng hóa được nhiều thức ăn nhất, thì loài đó chiếm vai trò chủ đạo trong môi trường. Nếu hai loài vi khuẩn cùng trong một môi trường dinh dưỡng và cùng có thể sử dụng được dung dịch dinh dưỡng thì chúng cùng sinh trưởng. Nếu một trong hai loài vi khuẩn không thể sử dụng hoàn toàn chất dinh dưỡng thì loài đó không thể tồn tại lâu được vì thiếu khả năng tạo năng lượng. Khi hai loài vi khuẩn đều có thể đồng hóa một loại thức ăn với tốc độ như nhau. Nhưng nếu trong hai loài vi khuẩn đó, loài này lớn hơn loài kia, thì số lượng mỗi loài sẽ tùy thuộc khối lượng tế bào chất. Chẳng hạn, loài vi khuẩn A có khối lượng gấp hai lần loài vi khuẩn B, thì số lượng vi khuẩn B sẽ tạo ra gấp đôi số lượng vi khuẩn A, nhưng tổng khối lượng của mỗi loài đều bằng nhau. Thông thường, loài vi khuẩn lớn không thể đồng hóa chất hữu cơ với tốc độ như loài vi khuẩn nhỏ hơn. Nguyên nhân là do tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của loài vi khuẩn lớn sẽ nhỏ hơn. Đa số vi khuẩn có kích thước như nhau và cùng sống lâu trong môi trường không quen thuộc. Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và sống lâu ở mọi môi trường. Vì vậy loài này là loài đầu tiên có trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong công trình vệ sinh. Loài Alcaligenes và Flavobacterium cũng quan trọng gần như Pseudomonas vì chúng có thể đồng hóa trước tiên là protein. Ở nơi nào có protein thì ở đó có Alcaligenes và Flavobacterium. Đối với nấm, tảo, động vật nguyên sinh Protozoa cũng diễn ra sự cạnh tranh tương tự vì thức ăn. Chúng đều có kiểu trao đổi chất với chất dinh dưỡng tan, nhưng kích thước của chúng khác nhau nên tốc độ trao đổi chất khác nhau. Vi khuẩn nhỏ nhất nên có tốc độ trao đổi chất lớn nhất. Sau đó là nấm đến Protozoa. Ở dung dịch chất hữu cơ đậm đặc, với điều kiện hiếu khí, tất cả vi sinh vật đều phát triển nhưng vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo. Ở dung dịch yếu của chất hữu cơ thì Protozoa không thể làm gì được để sống. 2.2. Loài này ăn loài khác Một trong những kiểu cạnh tranh quan trọng là cạnh tranh giữa thực vật và động vật. Thực vật sử dụng thức ăn dạng tan, trong khi đó động vật lại dùng thức ăn dạng rắn không tan. Thực vật là thức ăn cho động vật. Với nghĩa thực thì động vật và thực vật không cạnh tranh nhau vì thức ăn, mà chúng chỉ có liên quan tới sự cạnh tranh mà thôi. 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật Điều kiện môi trường và các yếu tố ngoại cảnh: như đã nói ở trên, ảnh hưởng rất nhiều đối với quần thể vi sinh vật. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 11 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn chủ đạo thứ cấp Trong hỗn hợp các quần thể vi khuẩn, loại nào sử dụng được cơ chất thì sẽ sinh trưởng nhanh. Khi cơ chất đã bị khử thì vi sinh vật cũng chết và tạo chất nhầy, giải phóng nhiều hợp chất của tế bào ra môi trường – dung dịch. Các hợp phần của tế bào chủ yếu là protein. Kết quả là Flavobacterium và Alcaligenes có khả năng sinh trưởng và phát triển. Khi đó ta gọi những loài này là chủ đạo thứ cấp hai bậc hai. Khái niệm này rất quan trọng khi xử lý nước thải công nghiệp, đòi hỏi phải có những vi sinh vật chủ đạo bậc một với chuyên môn cao! Thời gian tiếp xúc quá lâu có thể làm giảm hiệu suất do quần thề vi sinh vật bậc một quá ít. Hình 2. 3 Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 12 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Động học quần thể Protozoa Hình 2. 4 Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ Ghi chú: số lượng các loài vi sinh vật không trong cùng tỷ lệ. Tính chủ đạo của Protozoa đi kèm rất mật thiết với tính chủ đạo của vi khuẩn. Vì rất dễ nhìn dưới kính hiển vi cho nên Protozoa là những loài chỉ thị quí giá đối với chu trình sinh học và trong việc xử lý nước thải. Mastigophora, Flagellates không bao giờ phát hiện được nhiều ở nước thải, trừ nước rất bẩn và mới nhiễm bẩn. Loài Phytoflagellates phải cạnh tranh với vi khuẩn để giành lấy cơ chất tan, và chúng thường bị thất bại. Loài Zooflagellates thường có ưu thế hơn Phytoflallates lại kém hơn so với loài Ciliates bơi tự do trong việc bắt vi khuẩn. Chừng nào vi khuẩn còn nhiều thì Ciliates bơi tự do cũng sẽ nhiều. Khi quần thể vi khuẩn giảm, thì Ciliates bơi tự do lại phải nhường chỗ cho loài Ciliates có tiêm mao. Ciliates có tiêm mao đớp những hạt lơ lững và nuốt qua ống rất nhanh. Chúng yêu cầu năng lượng rất ít nên có thể sống lâu hơn ở nơi ít quần thể vi khuẩn. Khi môi trường đã được ổn định thì ciliates có tiêm mao cũng không sống nổi vì không đủ năng lượng nữa và phải nhường chỗ cho Rotifers và những động vật bậc cao hơn. Những loài này có thể sử dụng các chất là những xác chết của vi khuẩn hoặc các hạt lơ lửng hữu cơ khác. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tảo Mối quan hệ giữa tảo và vi khuẩn rất khắng khít và là quan hệ hỗ sinh. Hai loài này không thể cạnh tranh với nhau vì thức ăn, nhưng hoạt động của chúng tùy thuộc lẫn nhau. Vi khuẩn đồng hóa chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí để thành CO2 và nước. Tảo sử dụng CO2 và giải phóng oxy. Kiểm tra phân tích các hiện tượng sinh hóa cho thấy: vi khuẩn đồng hóa các chất hữu cơ phức tạp với sự có mặt của oxy để thành tế bào mới CO2, amon, và các chất vô cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 13 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 5 Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn Nuôi cấy đặc biệt Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều khi phải nuôi cấy các loài đặc biệt và thuần khiết. Tuy nhiên rất khó hiện thực hóa ý niệm này. Hỗn hợp các loài vi sinh vật luôn đạt kết quả khả quan hơn là một loài thuần khiết. Do vậy người ta thường chỉ bổ sung các loài thuần khiết đặc biệt vào hỗn hợp các quần thể vi sinh vật để thay đổi loài chủ đạo mà thôi. Đương nhiên tính chủ đạo của vi sinh vật này tùy thuộc môi trường và người ta phải cho thêm một khối lượng lớn vi sinh vật thuần khiết trong một khoảng thời gian ngắn. 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Sau khi lắng ở bể đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng. Ở đó diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở nơi nào tạo thành điều kiện yếm khí thì ở đó quá trình oxy hóa bị cản trở. Ở đây quá trình oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại vi sinh vật, sinh vật. Những quần thể sinh vật đất cũng gồm: vi khuẩn, nấm, tảo, các loài động vật hạ đẳng và động vật không xương. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. Tỷ lệ và số lượng giữa các loài khác nhau nhưng nói chung, kích thước càng nhỏ thì số lượng sinh vật sống trong cùng một dung tích đất sẽ càng nhiều. Trong đất nhiều nhất là vi khuẩn, rồi thứ tự là nấm, tảo và động vật hạ đẳng. Sở dĩ như vậy là vì mỗi loài sinh vật đất đều có nhiều nhu cầu khác nhau. Khả năng thỏa mãn tất cả những nhu cầu đó sẽ càng cao nếu hạng mục nhu cầu của sinh vật càng ít. Mặt khác, thời gian trưởng thành ở sinh vật lớn hơn sẽ lâu hơn so với sinh vật nhỏ. Như thế khả năng di truyền cho thế hệ sau của sinh vật lớn cũng sẽ ít hơn. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 14 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn trong đất có tưới nước thải. Trong đất có tưới nước thải chứa hai nhóm vi khuẩn là: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào. Lượng nước thải của vi khuẩn đưa vào chỉ bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Như vậy chỉ sau một mùa thì số vi khuẩn của nước thải sẽ bằng số vi khuẩn của đất. Hai nhóm vi khuẩn này đồng thời có quan hệ đối kháng và cộng sinh. Sau một thời gian một số sẽ chết, chủ yếu là vi khuẩn ăn chất đạm và vi khuẩn thối rữa, đường ruột. Còn đa số sẽ thích nghi với điều kiện mới, tồn tại, phát triển và làm thay đổi thành phần cấu trúc của đất. Cấu trúc của đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định ảnh hưởng tới sự hình thành quần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải. Những quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra chủ yếu là ở lớp đất trên cùng với chiều dầy chừng 40cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “ màng sinh vật”- tức là các vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn. Chúng thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa. Khi lọc nước qua đất, phần lớn vi khuẩn bị giữ lại, còn nước thì thấm qua. Vi khuẩn bị giữ lại là do khe hở giữa các hạt đất rất nhỏ và cơ bản là do có sự tương tác điện hóa giữa các vi khuẩn và màng sinh vật. Hạt đất càng nhỏ thì hấp phụ vi khuẩn càng mạnh (xem bảng 2.1). Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn. Theo Strôganôv (1938- Lapsin, Strôganôv) thì với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40cm thì tổng diện tích hấp phụ của những tế bào vi khuẩn là 48.000 m. Tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1cm/giờ . Bảng 2. 1 Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất (theo Misustin) Loại cát Kích thước hạt (mm) Số % tế bào bị hấp phụ Cát Bụi cát Bụi lớn Bụi nhỏ Bùn 1,0-0,5 0,25- 005 0,05 – 0,01 0,005 – 0,0015 0,0015 2 6 72 95 100 Màng sinh vật không hình thành ngay khi tưới nước thải, mà phải qua một đến hai tuần, khi lớp đất trên cùng phát triển đủ các quần thể sinh vật. Lúc đầu vi khuẩn của nước thải vào đất chủ yếu là vi khuẩn hoại sinh – sử dụng chất hữu cơ. Sau đó trong quá trình nitrat hóa, phát triển những vi khuẩn tự dinh – sử dụng chất vô cơ, phần lớn là vi khuẩn nitra hóa. Trong đất bình thường số vi khuẩn nitrat hóa không quá 10.000 tế bào/1g đất. Nhưng đất ở cánh đồng lọc tới 1 triệu tế bào/ 1g đất. Nhờ có sự sống – hoạt động của số đông vi khuẩn nitrat hóa như vậy cho nên về mùa hè trên mỗi hecta cánh đồng lọc có thể thu được 70kg nitrat trong một ngày. Để oxy hóa muối amon, cần tiêu thụ 260kg oxy/ngđ. Ngoài ra để oxy hóa các chất hữu cơ chức cacbon, tiêu thụ 160kg oxy/ngđ. Như vậy trên một ha, tổng cộng tiêu thụ 420kg/ngđ. Do đó phải đảm bảo thoáng khí, không được ứ động bùn ở cánh đồng. Những khu đất tất không bị ứ đọng bùn có thể giữ lại tất cả các loại vi khuẩn gây bệnh và 99,99% trực khuẩn đường ruột. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 15 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Nấm. Đa số nấm là loại hiếu khí, vì nấm không có khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, cellulose, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrat, đôi khi cả pepton, axit amin. Tảo. Gồm chủ yếu là tảo xanh lam, tảo lục. Lượng tảo trong đất cũng nhiều, từ 100.000 đến 3 triệu/1cm3 đất. Khi xử lý nước thải, vai trò của tảo trong đất là: tạo oxy. Bất kì một nguồn bổ sung oxy nào cũng rất quan trọng vì phải tiêu thụ rất nhiều để oxy hóa chất hữu cơ. Do vậy sự phát triển của tảo trong đất rất cần thiết, đặt biệt đối với đất kém thoáng khí. Các loại động vật: Gồm động vật hạ đẳng và loài không xương. Loài hạ đẳng – Protozoa: gồm loại giả túc và có tiêm mao. Chúng là loài hiếu khí chỉ sống ở lớp đất trên cùng: có tới 500.000 con/1g đất. Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của Protozoa là vi khuẩn. Vai trò của chúng trong việc xử lý nước thải ở cánh đồng chỉ giới hạn ở chỗ chúng tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn giả, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác sinh sản và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ có hoạt tính sinh hóa mạnh hơn. Kết quả là quá trình oxy hóa sinh hóa được tăng cường. Động vật không xương gồm giun, bọ. Vai trò của chúng là làm xốp đất lọc ở trên. Điều này quan trọng khi đất ứ đọng bùn. Ngoài ra trong ruột động vật không xương, nhiều chất bền vững như xenlulo, chitin, keratin, v.v …hoàn toàn bị phân hủy thành CO2, nước và amoniac. Như vậy nghĩa là các vi khuẩn trong ruột động vật không xương sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn ở đất làm việc tốt. Ngoài vi sinh vật, động vật trên đây, cần phải kể tới các loài thực vật. Thực vật sẽ hấp thụ các nguyên tố dinh dưỡng trong đất, cạnh tranh với vi khuẩn nitrat hóa vì chúng cùng sử dụng muối amon. Rễ cây sẽ làm cho đất xốp và thoáng khí. 3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa Cấu tạo hồ. Hồ sinh vật là loại công trình được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải của thị trấn, khu dân cư nhỏ. Hồ thường rộng và nông. Nước thải được dẫn vào một điểm ở giữa hoặc phía đầu hồ và được xả ra ở một hay ở nhiều điểm ở phía cuối hồ. Hồ thường sâu từ 0,6 -1,2 m và thậm chí 3- 6 m, tùy thuộc từng loại hồ. Chiều sâu hồ khống chế ít nhất từ 0,5 - 0,6 m với mục đích ngăn ngừa cỏ mọc. Ngược lại nếu hồ sâu quá 6 m sẽ làm điều kiện khuấy trộn và ánh sáng kém đi. Nếu hồ nông thì diện tích mặt thoáng phải rộng. Mức độ khuấy trộn tự nhiên tùy thuộc vào tốc độ gió. Ở những hồ rộng và nông thì khuấy trộn tốt hơn là hồ hẹp và sâu. Ban đầu người ta sử dụng hồ để xử lý nước thải gọi là xử lý bậc hai: nước thải trước khi xả vào hồ phải qua bể lắng đợt một. Như vậy phải xây dựng một tổ hợp công trình với bể lắng và một bể xử lý cặn, do đó giá thành xây dựng và quản lý sẽ đắt. Sau này, lại có xu thế tổng hợp tất cả các công trình đó lại: lắng, lên men cặn và oxy hóa được thực hiện trong cùng một hồ, gọi là hồ yếm khí tùy tiện. Khi đó giá thành xây dựng và quản lý sẽ giảm đi. Ngày nay, người ta sử dụng hồ sinh vật để xử lý bậc hai hoặc bậc ba – tức là xử lý triệt để chất thải. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 16 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bản thân tên gọi là hồ oxy hóa cũng nói lên đó là công trình xừ lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên cũng tồn tại vùng yếm khí hoặc vùng tùy tiện, gần giống như ở bể lọc sinh vật hay ở cánh đồng tưới nước thải. Sự phân hủy chất hữu cơ thực hiện nhờ sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn, một phần nhỏ nhờ Protozoa. Vi khuẩn sẽ tạo thành CO2 và nước trong điều kiện yếm khí; tạo axit hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Chỉ khi tạo CO2 và nước – là sản phẩm trao đổi cuối cùng thì BOD của nước ra khỏi hồ mới thấp. Muốn vậy phải đảm bảo cho hệ hoạt động trong điều kiện hiếu khí. Người ta nói rằng, tảo có thể đảm bảo cho hồ ở điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên không phải như vậy, mà làm thoáng được thỏa mãn bởi tổ hợp cả từ bề mặt lẫn nhờ phản ứng sinh hóa. Tảo thu năng lượng ánh sáng mặt trời và các chất vô cơ trong nước để tổng hợp nguyên sinh chất của mình. Một trong những phản ứng kèm theo trong việc tổng hợp nguyên sinh chất là giải phóng oxy. Nhiều người cho rằng oxy do tảo giải phóng sẽ cung cấp đủ cho vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Thực tế thì không đủ cho vi khuẩn và Protozoa được, trừ trường hợp chúng có nguồn dinh dưỡng bổ sung và nhiều hơn nguồn dinh dưỡng lấy từ nước thải là sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Khi xem xét quá trình trao đổi chất ta thấy vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí, tạo nguyên sinh chất mới, CO2, nước – là những sản phẩm cuối cùng. Tảo tiếp thu CO2 do vi khuẩn tạo ra, nước, muối khoáng vô cơ để biến thành nguyên sinh chất của mình. Sự giải phóng oxy tỷ lệ với lượng CO2 bị phân hủy. Tất nhiên nguồn oxy không phải là CO2 mà là từ nước. Nước còn là nguồn hydro nữa. Điều này có nghĩa là nguồn bổ sung oxy còn phải lấy từ nguồn khác nữa nếu muốn duy trì hệ ở trạng thái hiếu khí. Ở những vùng nước cứng, trong nước có bicacbonat và cacbonat để cung cấp bổ sung cho tảo nguồn cacbon, nhưng không liên quan đến quá trình trao đổi chất ở nước thải. Tuy nhiên việc tiêu thụ bicacbonat và cacbonat sẽ dẫn đến kết quả là: oxy do tảo giải phóng ra sẽ nhiều hơn lượng oxy vi khuẩn yêu cầu. Thậm chí nước sẽ trở nên bão hòa oxy. Khi phân tích cân bằng vật chất của chu trình trao đổi cho thấy: vi khuẩn sẽ sản sinh ra khối lượng – 180g chất hữu cơ từ 450g BOD toàn phần đã bị khử. Để việc trao đổi chất của tảo được duy trì ở điều kiện hiếu khí thì tảo phải tạo được 150g chất hữu cơ. Vì nước thải thô chỉ chứa khoảng 300g chất hữu cơ trong 400g BOD toàn phần, nên hiệu suất sẽ là: 300 chất hữu cơ của nước thải biến hết thành 300g chất hữu cơ dạng nguyên sinh chất của vi khuẩn và tảo. Thực chất, chất hữu cơ chỉ biến từ dạng này sang dạng khác mà thôi. Khi có ánh sáng mặt trời thì tảo không yêu cầu oxy lấy năng lượng cần thiết từ mặt trời. Nhưng về đêm, không có áng sáng mặt trời thì tảo sẽ tiêu thụ oxy cũng giống như vi khuẩn để trao đổi nội bào. Sự tiêu thụ oxy của nguyên sinh chất đã hình thành sẽ ít hơn oxy tiêu thụ của các tế bào của bản thân nước thải, cho nên tốc độ tiêu thụ oxy sẽ giảm dần theo sự chuyển hóa này. Làm thoáng bề mặt cũng là nguồn oxy không được bỏ qua, vì hồ nông và rộng thì gió sẽ thổi trên mặt hồ và khuấy trộn nước hồ. Nếu hồ thiếu hụt oxy của không khí sẽ hòa trộn với nước và bổ sung cho sự thiếu hụt đó. Về đêm khi tảo yêu cầu oxy như vi khuẩn thì sự là thoáng bề mặt sẽ cung cấp oxy và giữ cho hệ ở trạng thái hiếu khí. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 17 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Kích thước của hồ oxy hóa phải được thiết kế đủ rộng để hồ vừa đảm bảo lắng tốt vừa oxy hóa tốt. Những hạt cặn trơ, bền vững không bị phân hủy sinh hóa sẽ cùng với vi sinh vật lắng xuống và trôi theo nước. Lượng vi khuẩn sẽ nhiều nhất ở những nơi có chất hữu cơ, nhưng sẽ giảm dần về phía cuối hồ, nơi xả nước đi. Nhiều vi sinh vật do trao đổi nội bào, chết và lắng xuống trước khi nước qua ống xả. Như vậy chất hữu cơ bị oxy hóa sẽ được tách ra khỏi nước trước khi xả nước ra nguồn – sông. Rõ ràng dung tích hồ phải đủ để chứa cặn lắng và vi sinh vật. Hình 2. 6 Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật Vi sinh vật trong hồ. Cũng như ở các công trình xử lý khác cùng chức năng: chủ yếu là vi khuẩn và tảo. Ngoài ra còn Protozoa, giả túc Rotifers. Loại vi sinh vật nào chiếm ưu thế chủ đạo trong hồ là tùy thuộc tải trọng chất bẩn và các yếu tố vật lý khác. Ở hồ tải trọng thấp (nuớc ít bẩn) thì số chủng loại nhiều hơn so với hồ nước bẩn. Hồ có hỗn hợp nhiều loại nước thải chảy vào thì số loài vi sinh vật cũng nhiều hơn so với hồ chỉ có một loại nước thải chảy vào. Những loài vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcalogenes. Vi khuẩn Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn khác tiết ra. Coli không cạnh tranh nổi thức ăn với các loài vi khuẩn khác. Sự phát triển của tảo tùy thuộc vào các loai chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng. Những loài Phytoflagellates và Euglena, Chlorella sẽ phát triển ở nơi có nồng độ chất dinh dưỡng cao. Chúng có thể trao đổi bằng quang hợp hoặc hóa hợp và do đó góp phần vào việc phân hủy chất hữu cơ. Kích thước của chúng ngăn cản chúng cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn. Những loài Phytoflagellates nhỏ sẽ đòi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chủ đạo hơn so với các loài tảo khác, khi mức dinh dưỡng cao. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng không đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellates hoạt tính. Một trong những loài điển hình là: Spirogyra, Vaucheria và Ulothrix. Số loại chất dinh dưỡng sẽ xác định chính xác dạng nào là chủ đạo. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 18 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Khi có chất dinh dưỡng thì Protozoa cũng có mặt. Nếu nước chảy vào với nồng độ chất hữu cơ cao thì kích thích các loài Flagelates (chẳng hạn Chinamonas) phát triển nhưng đồng thời cũng mở đường cho Ciliates giả túc bơi tự do như Colpidium, Paramecium, Glaucoma, Euplotes phát triển. Khi lượng vi khuẩn giảm thì Ciliates giả túc như Vorticella và Episriles sinh trưởng phát triển. Khi nước ít bẩn, tải trọng chất hữu cơ thấp và lượng oxy nhiều thì các loài động vật bậc cao như Daphnia, Rotaria xuất hiện. Những loài động vật động cao có thể sử dụng tảo, vi khuẩn cho nên nước ra khỏi hồ chứa ít vi khuẩn và tảo. Như vậy động vật cũng đóng vai trò làm trong nước. 4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Để đảm bảo vi sinh vật có thể tồn tại trong môi trường thì chúng ta phải được phép tái sản xuất với một lượng đủ. Giai đoạn này phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, nó liên quan trực tiếp đến tốc độ chuyển hóa hoặc sử dụng chất thải. Nếu trong một môi trường thích hợp cho sự tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật khả năng chuyển hóa chất hữu cơ phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật. 4.1. Tăng trưởng tế bào Trong cả hệ thống xử lý liên tục lẫn từng mẻ tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn có thể được xác định bằng phương trình sau: rg= µX (1-1) Với rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian -1) X: nồng độ của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích) Do dX/dt = rB đối với hệ thống xử lý từng mẻ, do đó: dX/dt= µX (1-2) 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền Trong nuôi cấy mẻ, nếu những thành phần cần thiết cho sự tăng trưởng như chất dinh dưỡng, một số nguyên tố vi lượng,… chỉ hiện diện với một hàm lượng giới hạn, nó sẽ gây ảnh hưởng hạn chế đến tốc độ tăng trưởng ,những chất đó được gọi là chất giới hạn quá trình sinh trưởng.(Hình 2.7 ) Qua thí nghiệm , người ta thấy rằng ảnh hưởng của các chất giới hạn sinh trưởng costheer được biểu hiện qua nuối cấy liên tục, tăng trưởng bị giới hạn. Theo thí nghiệm, người ta thấy rằng ảnh hưởng của việc giới hạn cơ chất hay chất dinh dưỡng có thể được biểu hiện qua phương trình Monod như sau: µ= µm.S/(Ks + S) (1-3) Với µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian-1) µm: tốc độ tăng trưởng tối đa,(thời gian-1) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 19 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG S: nồng độ của cơ chất giới hạn tăng trưởng, (khối lượng cơ chất/ đơn vị thể tích) Ks: hằng số tốc độ bán phản ứng, là nồng độ cơ chất mà tốc độ tăng trưởng riêng bằng nửa tốc độ tăng trưởng tối đa (µ= 1/2µm), ( khối lượng cơ chất/ đơn vị thể tích). Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất trên tốc độ tăng trưởng riêng được trình bày trong (Hình 2.7). Nếu giá trị của µ từ phương trình (1-3) được thay thế vào phương trình (1-1) thì tốc độ tăng trưởng được biểu diễn là: rg = µmXS(Ks + S) µ (1-4) s Hình 2. 7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng đặc biệt. 4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất Trong cả hai hệ thống tăng trưởng liên tục và từng mẻ, một phần cơ chất được chuyển hóa thành tế bào mới và một phần được oxy hóa thành sản phẩm cuối vô cơ và hữu cơ. Do lượng tế bào mới được sản xuất đại diện cho số cơ chất, mối tương quan giữa hai giá trị: tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ tăng trưởng được thể hiện như sau: rg= -Yrsu (1-5) Với rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Y: hệ số hiệu quả cực đại, mg/mg (được định nghĩa như là tỉ số giữa sinh khối của tế bào hình thành và sinh khối cơ chất tiêu thụ, việc đó được thực hiện trong suốt giai đoạn tăng trưởng logarith) rsu : tốc độ sử dụng cơ chất, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 20 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố: (1) Trạng thái oxy hóa của nguồn carbon và những nguyên tố vi lượng (2) Độ polimer hóa của cơ chất (3) Các con đường chuyển hóa (4) Tốc độ tăng trưởng (5) Các thông số vật lý trong quá trình nuôi cấy Nếu giá trị rg từ phương trình (1-4) được thay vào phương trình (1-5), tốc độ cơ chất sử dụng có thể được xác định như sau: rsu = - µmXS/Y(Ks + S) (1-6) Ở phương trình (1-6), giá trị µm/Y thường được thay thế bằng giá trị k, được định nghĩa là tốc độ sử dụng cơ chất tối đa trên một đơn vị sinh khối vi sinh vật. k= µm/Y (1-7) Thay thế giá trị k vào phương trình (1-6) ta được: rsu= -kXS/(Ks + S) (1-8) 4.4. Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào Trong hệ thống sinh học xử lý nước thải, do tuổi của tế bào làm cho không phải mọi tế bào đều tăng trưởng ở pha logarith. Hơn nữa khi biểu diễn tốc độ tăng trưởng chúng ta phải hiệu chỉnh với lượng năng lượng cần thiết để tế bào duy trì sự sống và những nhân tố khác như sự chết hay bị làm mồi cho sinh vật khác,… cũng phải được đề cập. Thường thì các nhân tố này được gộp lại với nhau và giả thiết rằng độ giảm sinh khối do những nguyên nhân này tương ứng với nồng độ vi sinh vật hiện diện. Sự giảm này gọi chung là phân hủy nội bào. Khái niệm phân hủy nội bào có thể được công thức hóa như sau: rd= -kdX (1-9) Với rd: phân hủy nội bào kd: hệ số phân hủy nội bào (thời gian-1) X: nồng độ tế bào, (sinh khối/ đơn vị thể tích) Kết hợp phương trình (1-9) với (1-4) và (1-5) ta được tốc độ tăng trưởng thật: rg’= rg- rd Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 21 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG rg’= µmXS/(Ks + S)- kdX (1-10) rg’= -Yrsu- kdX (1-11) Với rg’: tốc độ tăng trưởng thật của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Tốc độ tăng trưởng riêng thật được cho phương trình (1-12) µ’= µ- kd µ’= µm.S/(Ks +S) - kd (1-12) Với µ’: tốc độ tăng trưởng riêng thật, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Ảnh hưởng của hô hấp nội bào lên hiệu quả tăng trưởng thật của vi khuẩn được tính toán dựa vào phương trình: Yobs = -rg’/rsu (1-13) 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ không những ảnh hưởng lên hoạt động chuyển hóa của quần thể vi sinh vật mà còn ảnh hưởng liên quan đến những nhân tố như tốc độ trao đổi khí và đặc tính lắng của chất rắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng của quá trình sinh học như sau: rr=r20Ф(T-20) (1-14) Với rr: tốc độ phản ứng ở T0C r20: tốc độ phản ứng ở 200C Ф: hệ số hoạt hóa nhiệt (nhiệt hoạt động) T: nhiệt độ, oC Bảng 2. 2 Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học Giá trị Ф Quá trình Khoảng giá trị Giá trị trung bình Bùn hoạt tính 1,00 - 1,08 1,04 Hồ oxy hóa 1,04 -1,10 1,08 Bể lọc hiếu khí 1,02 - 1,08 1,035 Bảng 2. 3 Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 22 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Giá trị Hệ số Đơn vị Khoảng giá trị Giá trị trung bình k d-1 2 -10 5 Ks mg/LBOD5 mg/LCOD 25 -100 15 -70 60 40 Y mgVSS/mgBOD5 0,4 – 0,8 0,6 kd d-1 0,025 – 0,075 0,06 Bảng 2. 4 Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất Giá trị Hệ số Đơn vị Khoảng giá trị Giá trị trung bình Bùn sinh hoạt Y Kd mgVSS/mgBOD5 d-1 0,040 – 0,100 0,020 – 0,040 0,060 0,030 Acid béo Y Kd mgVSS/mgBOD5 d-1 0,040 – 0,070 0,030 – 0,050 0,050 0,040 Carbonhydrate Y Kd mgVSS/mgBOD5 d-1 0,020 – 0,040 0,025 – 0,035 0,024 0,03 Protein Y Kd mgVSS/mgBOD5 d-1 0,050 - 0,090 0,010 – 0,020 0,075 0,014 5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT Sông hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là những nguồn cung cấp nước mặt đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp,…Tất cả các nguồn nước chảy về sông hồ đều mang theo các chất bẩn hữu cơ, vô cơ. Ở những điều kiện bình thường thích hợp thì những chất đó kích thích sự phát triển của sinh vật. Ở những dòng sông, suối, vùng núi cao thì sự sống của sinh vật đơn điệu, nghèo nàn hơn, và ít chất dinh dưỡng hơn. Nhưng những con sông chảy qua vùng đồng bằng phì nhiêu màu mỡ, dân cư đông đúc, trù phú thì sự hoạt động sống của sinh vật rất phong phú vì đầy đủ chất hữu cơ - chất dinh dưỡng. Nếu các chất bẩn (theo lượng từng chất và số loại chất) vừa đủ phù hợp với khả năng đồng hóa của sinh vật thì các quá trình sinh hóa sẽ diễn ra trong điều kiện hiếu khí và có lợi cho con người. Nếu các chất bẩn quá nhiều, vượt quá khả năng đồng hóa của sinh vật thì các dạng sinh vật thượng đẳng phải chết và chỉ có vi khuẩn phát triển, tạo điều kiện yếm khí, gây tổn thất cho con người. Khi đó ta hiểu là nguồn nước sông hồ bị nhiễm bẩn. Ngày nay do sự phát triển đô thị, công nghiệp và nền kinh tế xã hội nói chung, các dòng sông sẽ bị ô nhiễm bẩn quá mức và là mối lo ngại lớn cho con người. 5.1. Quá trình tự làm sạch Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia thành 2 giai đoạn: • Quá trình xáo trộn – pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nguồn nước. Đó là quá trình vật lý thuần túy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 23 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG • Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó. Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ - hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa - phân hủy các chất bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật. Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh trưởng - sinh sản (kể cả chết) và phát triển. Sinh khối của chúng tăng lên. Trong các dòng sông chảy, các dòng chất sẽ pha loãng với nước sông trên một khoảng nhất định. Trong suốt khoảng chiều dài đó có thể phân biệt các vùng sau đây: • Vùng xả chất bẩn (A) • Vùng xáo trộn hoàn toàn (B) • Vùng bẩn nhất, ở đó oxy hòa tan ít nhất (C) • Vùng phục hồi - ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch (D) (hình 2.8) Hình 2. 8 Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy Hình 2. 9 Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông Cường độ quá trình tự làm sạch phụ thuộc nhiều yếu tố: dung tích nước sông, tốc độ dòng chảy, điều kiện làm thoáng hòa tan oxy theo bề mặt, chiều sâu dòng chảy, nhiệt độ, thành phần hóa lý của nước, tính chất các chất bẩn,…Trước hết ta hãy xét một số khái niệm cơ bản sau: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 24 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG z Tổng sản phẩm sơ cấp trong nước nguồn Theo phương thức dinh dưỡng, tất cả các cơ thể sống trên trái đất được chia thành hai loại: sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ. Sinh vật sản xuất là những loại tự dưỡng, tạo chất hữu cơ bằng cách cố định CO. Sinh vật tiêu thụ là những loại dị dưỡng, chỉ sử dụng chất hữu cơ có sẵn. Sinh vật sản xuất bao gồm tất cả các thực vật, vi khuẩn tự dưỡng (trừ nấm). Sinh vật tiêu thụ gồm tất cả những loài sinh vật còn lại. Chất hữu cơ tạo trong quá trình quang hóa được gọi là sản phẩm sơ cấp. Khối lượng chủ yếu của sản phẩm sơ cấp được tổng hợp nhờ thực vật. Vai trò của vi khuẩn trong quá trình này không lớn lắm. Việc tổng hợp sản phẩm sơ cấp – là cơ sở của sự sống trên trái đất. Việc tái tạo các chất hữu cơ có liên quan mật thiết đến quá trình quang hóa, tức là tùy thuộc điều kiện chiếu sáng. Tuy nhiên lượng sản phẩm sơ cấp không chỉ phụ thuộc cường độ quang hóa mà còn tùy thuộc lượng thực vật. Dù quang hợp có mạnh nhưng trên sông hồ ít thực vật thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng ít. Ngược lại, dù quang hợp có hơi yếu nhưng trên sông hồ nhiều động vật phù du và thực vật thượng đẳng thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng rất lớn. Độ sâu nguồn nước càng tăng thì độ chiếu sáng càng giảm và lượng sản phẩm sơ cấp sẽ tùy thuộc nhiều vào sự phân bố thực vật theo chiều dày lớp nước. Thực vật nằm ở lớp dưới sâu, ít được chiếu sáng thì sản lượng sơ cấp sẽ giảm. Giai đoạn quang hợp ngoài ánh sáng thường ngắn hơn giai đoạn trong bóng tối, cho nên tảo có thể sống – tồn tại ở ngoài vùng chiếu sáng tốt. Khi nổi lên mặt nước chúng nhận 1 lượng bức xạ mặt trời cần thiết, khi chìm xuống sâu chúng sẽ thực hiện quang hợp tối. Khí hậu trung hòa tảo phân bố trên sông, hồ không đều, ở lớp trên nhiều tảo hơn lớp dưới. Như vậy phần tảo bị đói ánh sáng bao giờ cũng ít hơn chúng phân bố đều theo chiều dày lớp nước. Chẳng hạn, khi lặng gió 62% tảo bị thiếu ánh sáng, khi gió cấp 5 tới 90% bị thiếu ánh sáng. Thành phần của nước, cụ thể lượng nitơ, phôtpho cũng ảnh hưởng đến lượng sản phẩm sơ cấp. Nhu cầu các nguyên tố dinh dưỡng đối với các loài thực vật không giống nhau. Thí dụ khuê tảo rất cần silic để tạo panxiria. Lượng sản phẩm sơ cấp được biểu thị bằng đơn vị khối lượng (hoặc dơn vị năng lượng tương đương), được tổng hợp trong 1 đơn vị thời gian. Sản phẩm có thể tính theo đơn vị dung tích, điện tích, hoặc toàn bộ nguồn nước. Khi quang hợp, các quá trình tái tạo sinh khối mới của thực vật phù du, việc tạo oxy và năng lượng liên quan với nhau. Theo Oswald (1963) mối quan hệ đó có thể biểu thị như sau: NH4 + 7,6 CO2 + 17,7 H2O C7,6H8,1O2,5N + 15,2 H2O + 3721 KJ (chất hữu cơ của tảo) (1-15) Cần chú ý rằng không phải lúc nào sự tăng sinh khối của tảo cũng đồng nhất với lượng sản phẩm sơ cấp. Lượng sản phẩm sơ cấp trong các loại nguồn nước thay đổi trong khoảng 10 - 400 gO2/m2 năm (Bảng 1-4). Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 25 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 2. 5 Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960) Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2Loại hố Trung bình năm Ngày max Loại bể Trung bình năm Ngày max Ligotrophe Mezotrophe 10 – 20 30 – 200 0.5 – 0 0 – 7 Eutrophe Eutotrophe cao 70 – 200 400 5 – 7.5 7.5 – 10.0 z Chuyển hóa và phân hủy chất hữu cơ Sinh khối của các sinh vật tự dưỡng: tảo, thực vật nước bậc cao; vi khuẩn - là nguồn thức ăn cho các loại dị dưỡng – vi khuẩn, nấm, động vật phù du, Necton. Trong số này có nhóm sinh vật đặc biệt gọi là sinh vật hoại sinh, khoáng hóa chất hữu cơ chết chúng cung cấp các nguyên tố khoáng cho loại tự dưỡng. Để đặc trưng cho trình tự chuyển hóa các chất hữu cơ con người dùng khái niệm “mức dinh dưỡng”,…Việc chuyển hóa chất hữu cơ (và cả năng lượng trong đó) từ mức dinh dưỡng này sang mức khác, số loài và sinh khối của chúng giảm dần và tạo ra nhiều lớp sinh khối. Những loài nhỏ nhưng tốc độ sinh sản nhanh với cùng một sinh khối thường tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn các loài to lớn. Tuy nhiên cũng có khi sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng sau lớn hơn sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng trước. Do vậy phải phân biệt hai khái niệm: sinh khối và sản phẩm. Sinh khối là tổng khối lượng của tất cả các sinh vật thuộc một mức dinh dưỡng nào đó còn sản phẩm là sinh khối tạo ra ở một mức dinh dưỡng nào đó trong một khoảng thời gian nhất định (trong đó kể cả khối lượng đã tiêu thụ, chết, hoặc tách khỏi hệ thống). Khác với sinh khối, năng lượng của một chất hữu cơ nào đó khi chuyển từ mức dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác luôn luôn thay đổi. Trong bất kì “mức dinh dưỡng nào”, thức ăn do những vi sinh vật sử dụng đều không hấp thụ được hết và bao giờ cũng còn lại một ít. Ở lượng đã hấp thụ được, một phần tiêu hao cho việc tăng sinh khối, một phần bị oxy hóa để sinh năng lượng. Năng lượng này lại có thể sử dụng cho mức dinh dưỡng tiếp theo. Phần năng lượng tiêu thụ trong các quá trình sống, hoạt động của sinh vật, được tản vào không gian và bị loại khỏi quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Tuy nhiên khi tản năng lượng cũng diễn ra quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Đồng thời với việc giải phóng năng lượng cũng giải phóng CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng vào nước. CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng lại tạo ra sản phẩm sơ cấp - tức là lại tích lũy năng lượng. Công thức xác định tổng năng lượng: A= S + T + C (Đơn vị năng lượng hoặc lượng oxy) (1-16) Với: A: tổng năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 26 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG S: năng lượng tích lũy khi tăng sinh khối T: năng lượng tiêu hao trong quá trình trao đổi chất C: năng lượng của phần thức ăn chưa hấp thụ được Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên: K1= S/A K2= S/ (A-C) = S/ (S+T) Với K1: hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng K2: hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh trưởng K1,K2 càng cao thì hiệu quả sử dụng thức ăn cho tăng sinh khối càng cao Số mức năng lượng của loại peligian (sinh vật phù du) thường là 3-4, của sinh vật đáy là 2 Chẳng hạn: Mức dinh dưỡng 1: vi khuẩn Mức dinh dưỡng 2: trích trùng ăn vi khuẩn Mức dinh dưỡng 3: động vật phù du ăn trích trùng Mức dinh dưỡng 4: cá bé ăn động vật phù du Mức dinh dưỡng 5: cá lớn Hình 2.10 là chu trình sinh hoá bình thường ở nguồn nước mặt. Có thể nói vi khuẩn là nhân tố chính của quá trình sinh hóa bình thường trong nước thiên nhiên. Chúng có chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ. Những chất vô cơ lại được tảo sử dụng để xây dựng tế bào. Những vi khuẩn và tảo lại là thức ăn cho động vật hạ đẳng sử dụng. Động vật hạ đẳng, tảo, vi khuẩn lại là thức ăn cho cá bé rồi cá lớn, cá lại là thức ăn cho người. Chu trình cứ thế diễn ra. Cần lưu ý rằng sinh khối của cá chiếm phần rất nhỏ trong sản phẩm sơ cấp. Nếu trong nước chỉ sống có loài cá ăn cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng kể. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 27 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 10 Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ. 5.2. Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình phân huỷ chất bẩn hữu cơ trong nguồn nước có thể tóm tắt như sau: • Thực vật phù du làm giàu oxy trong nước. Oxy thì cần cho quá trình phân huỷ chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Thực vật phù du là nguồn thức ăn cho các loài sinh vật ăn thực vật. Tuy nhiên nếu thực vật phù du phát triển quá mạnh thì lại làm nguồn nước nhiễm bẩn lần thứ hai. • Những loài thực vật lớn cũng làm giàu oxy trong nước và làm giảm các chất dinh dưỡng; tham gia tích cực vào việc khử các sản phẩm đầu, các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước. Ở những sông hồ ít nước chúng dễ biến thành đầm lầy. • Vi khuẩn đóng vai trò chính trong qua trình phân huỷ các chất hữu cơ, chúng có khả năng phân huỷ bất kỳ loại chất hữu cơ nào trong thiên nhiên; là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở mức dinh dưỡng tiếp theo. Động vật phù du ăn thực vật và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Có thể tách các chất lơ lửng và làm cho nước trong. Chúng làm giảm hàm lượng oxy trong nước do hô hấp cũng như do chúng ăn thực vật phù du. Chúng làm xáo trộn nước và hấp thụ các vi sinh vật gây bệnh, có thể khử trùng trong nước. • Các loại động vật phù du lớn ăn thực vật phù du, tham gia quá trình phân huỷ chất hữu cơ; ở mức độ nào đó cũng ảnh hưởng đến chế độ oxy trong nước. Trong thủy lực,cá là loai sinh vật đỉnh cực,sinh vật ở bậc cao nhất của tháp dinh dưỡng. Những loài cá ăn thực vật sẽ làm cản trở hiện tượng “nở hoa” trong nguồn nước và gây ảnh hưởng đối với thành phần tất cả các loài thuỷ sinh vật ở các mức dinh dưỡng khác nhau. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 28 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nguồn nước Tuỳ thuộc số lượng, thành phần tính chất của các chất bẩn mà chúng có thể gây ra những hậu quả khác nhau đối với nguồn nước: • Làm thay đổi tính chất hoá lý: độ trong, màu, mùi, vị, pH, hàm lượng các chất hữu cơ, vô cơ, xuất hiện các chất độc, chất nổi, chất dễ lắng cặn,… • Làm giảm hàm lượng oxy hoà tan: do phải tiêu hao trong các quá trình oxy hoá sinh hoá các chất bẩn hữu cơ. • Làm thay đổi số lượng và các chủng loại vi sinh vật, sinh vật, xuất hiện các loại vi sinh vật gây bệnh, làm chết cá,… Kết quả không thể sử dụng làm nguồn cung cấp nước được. Nhìn chung tất cả những thay đổi đó có liên quan mật thiết với nhau. Đặc biệt các chất bẩn trong nước thải sản xuất là những chất độc hại đối thuỷ sinh vật. Nồng độ các chất hữu cơ quá cao sẽ tạo điều kiện yếm khí trong nước, các chất sulphua sẽ làm giảm khả năng oxy hoá khử của nước. Nếu hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước nguồn tăng lên sẽ dẫn tới hiện tượng “ nở hoa” – phát triển tảo rêu.… Ảnh hưởng độc hại. Các chất bẩn độc hại có thể gây tác động khác nhau đối với thuỷ sinh vật, tuỳ thuộc bản chất, nồng độ của chúng. Một chất độc nào đó có thể phá hoại trao đổi chất hoặc nhịp độ sinh trưởng, phát triển của thuỷ sinh vật; tới một giá trị nồng độ nào đó, chúng sẽ bị tiêu diệt. Đối với nhiều loại sinh vật có thể chưa thấy ngay tác động độc hại, mà chỉ làm hỏng cơ quan sinh sản, hoặc gây ảnh hưởng tới nhiều thế hệ sau. Kết quả là số lượng cá thể sinh vật, số loài sẽ bị giảm dần,.. Trong thực tế bảo vệ vệ sinh nguồn nước, người ta đã xác định nồng độ giới hạn cho phép là giá trị nồng độ cao nhất, với giá trị đó, các quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ không bị phá huỷ, không làm xấu giá trị “thực phẩm” của nước, không gây độc hại đối với quá trình sống hoạt động của thuỷ sinh vật - những tác nhân quan trọng nhất trong quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ. Như vậy nồng độ giới hạn cho phép sẽ đảm bảo cho quá trình sinh sản diễn ra bình thường đảm bảo cho chất lượng nước được tốt, đồng thời không làm giảm giá trị hàng hoá của các sinh vật. Sự thay đổi chế độ hoà tan oxy trong nước nguồn. Lượng vi khuẩn và nấm trong nước tuỳ thuộc nhiều yếu tố. Trong nguồn nước sạch thường không đủ chất hữu cơ (chất dinh dưỡng) cho các loại hoại sinh. Khi các chất hữu cơ lẫn vào nước nguồn thì các vi sinh vật phát triển nhảy vọt. Trong quá trình sinh trưởng phát triển, các vi sinh vật tiêu thụ càng nhiều oxy. Kết quả nồng độ oxy trong nước giảm, thậm chí bị tiêu thụ hoàn toàn, làm thay đổi thế năng oxy hoá khử của môi trường, các phản ứng khử diễn ra chủ yếu: khử nitrat, khử sulphat, hình thành các chất sulphua và ngày càng tạo điều kiện yếm khí trong môi trường (Hình 2.11) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 29 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 11 Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị nhiễm Sự thay đổi chế độ khí oxy hoà tan sẽ kéo theo sự thay đổi các quần thể sinh vật. Các loài thích nghi với nước sạch trước đây thì bây giờ khi thiếu oxy sẽ bị chết (đầu tiên là cá rồi tiếp đến là động vật thượng đẳng), đồng thời các loài quần thể thích nghi với điều kiện oxy lại phát triển. Cường độ oxy hoá các chất hữu cơ giảm và trong nước nguồn sẽ tích lũy các sản phẩm không bị oxy hoá hoàn toàn. Nồng độ oxy trong nước sông bẩn rất thấp, ở 200C chỉ khoảng 8 mg/l (Hình 2.12). Khi nhiệt độ tăng lên, độ hoà tan oxy lại giảm. Trong khi đó cường độ các quá trình sinh hoá và tốc độ tiêu thụ oxy lại tăng lên và ngược lại. Hình 2. 12 Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau Trong các dòng sông chảy xiết, do dòng chảy rối nên các lớp nước trên cùng gần biên giới - không khí, sẽ hoà tan được nhiều oxy cho vi sinh vật sẽ được đầy đủ. (Hình 2.13). Ở các dòng sông chảy chậm hoặc ở các hồ, các lớp nước trên cùng có oxy hoà tan, nhưng oxy chỉ khuếch tán xuống các lớp dưới với lượng ít nên nói chung ở các lớp nước dưới thường tạo thành điều kiện yếm khí (Hình 2.13) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 30 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 13 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối Khi xả nước thải với chất hữu cơ vào nguồn, tốc độ phát triển của vi khuẩn, nấm cũng tăng lên. Kết quả lại tỉ lệ nghịch với nồng độ oxy. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo điều kiện yếm khí. Như vậy tốc độ trao đổi chất của vi khuẩn phải luôn luôn thấp hơn tốc độ hoà tan oxy với nồng độ giới hạn của các chất dinh dưỡng. Với điều kiện hiếu khí thì protoza kéo theo cả các động vật thượng đẳng cùng phát triển. Như vậy nồng độ oxy càng cao thì nhiều động vật có thể tồn tại và càng được cung cấp nhiều thức ăn. Cuối cùng điều kiện sinh hoá tốt nhất nên duy trì ở sông là cung cấp vừa đủ - giới hạn chất dinh dưỡng và ít loài vi sinh vật. Hình 2. 14 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm Trong nước thải đô thị thường chứa nhiều lượng nguyên tố dinh dưỡng (nitơ, photpho). Những chất này kích thích tảo phát triển rất mạnh, sông hồ không thể làm nguồn nước cấp được. Tảo phát triển làm nước có màu, tảo xanh Aphanizomenon, Anabaena, microcystic,… nước có màu xanh lam; tảo xanh Oscilatoria rubecens làm nước ngả màu hồng; Aphanocapsa pulchre tạo một lớp đất váng đen trên mặt nước. Tảo lục làm nước có màu lục, khuê tảo (melosira, Navicula) làm nước có màu vàng nâu; Chrisophit - làm nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có mùi vị khó chịu, như mùi cỏ, mùi mỡ khét, thối.…Ngoài ra còn gây ứ tắc cơ học các lưới chắn của công trình thu nước, các bể lọc của nhà máy nước. Hiện tượng trên gọi là hiện tượng “nở hoa” (Eutrofication). Khi tảo chết sẽ gây thối rữa trong nước, vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ và tiêu thụ oxy làm oxy hoà tan bị nghèo đi. Theo tính toán của D.Ulman, để oxy hoá lượng chất bẩn hữu cơ Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 31 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG do một người thải ra, cần 80g oxy trong một ngày; còn để oxy hoá chất hữu cơ của tảo (tảo phát triển do photpho trong nước thải tính theo một người) đòi hỏi tới 320g Oxy. Vì vậy, người ta phải khử nitơ, photpho trước khi xả nước thải nguồn và phải tìm những phương pháp chống nở hoa trong nước nguồn. Ảnh hưởng của các chất lắng cặn và chất nổi. Nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nước thải tưới tiêu từ các hệ thống thuỷ lợi, chứa rất nhiều chất lơ lửng và lá cây. Khi tới sông hồ, tốc độ dòng chảy giảm. Kết quả gây lắng cặn ở đáy sông hồ, làm thay đổi hình dạng dòng sông. Những chất hữu cơ lắng cặn là đối tượng hoạt động phát triển của vi sinh vật. Kết quả cũng làm giảm lượng oxy hòa tan, gây thối rữa, tiêu diệt thủy sinh vật. Các chất nổi như dầu mỏ chứa nhiều trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp cũng hạn chế oxy hòa tan. 6. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 6.1. Bể lọc sinh học nhỏ giọt Cấu tạo Bể lọc sinh vật được sử dụng rất rộng rãi để xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Đó là bể hình vuông, chữ nhật hoặc tròn trên mặt bằng. Trong bể có chứa vật liệu lọc bằng đá dăm, gạch vỡ, sỏi, đá kerămzit hoặc bằng chất dẻo v.v… Kích thước các hạt vật liệu tăng dần từ trên xuống dưới. Lớp trên dùng gồm các hạt có kích thước 10- 20mm; lớp giữa 20- 40mm; lớp dưới 50- 70mm. Nếu là chất dẻo thì có thể là dạng tấm hoặc khối xốp tổ ong. Nước thải được dẫn vào bể lọc qua thiết bị phân phối để tưới đều trên toàn bộ diện tích bề mặt lớp vật liệu lọc. Tùy thuộc kích thước vật liệu lọc mà người ta thay đổi và chọn tốc độ nước chảy qua bể. Thiết bị phân phối nước vào có thể là máng răng cưa, hệ các vòi phun hoặc dàn ống quay phản lực. Nước từ trên bề mặt, nhờ trọng lực chảy xuống qua lớp vật liệu, tập trung vào hệ thống thu nước, rồi ra công trình tiếp theo là bể lắng đợt hai. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 32 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 15 Sơ đồ cấu tạo bể lọc sinh vật Chiều cao lớp vật liệu lọc từ 1- 4 m, có khi tới 6m và được gọi là tháp lọc sinh vật. Kích thước hạt và chiều cao lớp vật liệu lọc được chọn tùy thuộc khối lượng, thành phần tính chất nước thải. Hệ thống thu nước có thể là một mạng lưới máng xương cá hoặc nền dốc. Nó vừa để thu nước một cách nhanh chóng vừa để thông thoáng khí cho bể lọc, nói đúng hơn cho quá trình sinh hóa diễn ra khi nước chảy qua bể lọc. Ngoài ra người ta còn thực hiện làm thoáng nhân tạo bằng quạt gió cưỡng bức cho bể lọc. Vi sinh vật Khi nước thải chảy qua, trên mặt các hạt vật liệu lọc sẽ được hình thành, phát triển các vi sinh vật, gọi là tạo màng sinh vật. Bể lọc sinh vật là công trình làm sạch hiếu khí và đa số các loài sinh vật đều cần thiết oxy. Mặc dầu bắt đầu thì vi sinh vật hiếu khí. Nhưng khi màng sinh vật đã hình thành thì sẽ tạo lớp yếm khí nằm giữa bề mặt hạt vật liệu và lớp hiếu khí hoạt tính ở mặt ngoài màng sinh vật. Những quần thể sinh vật, vi sinh vật của màng này sẽ hấp thụ từ nước thải những chất dinh dưỡng cần thiết và sử dụng những chất đó trong quá trình trao đổi kiến tạo (xây dựng) và năng lượng. Ở phần trên của lớp vật liệu, nồng độ các chất dinh dưỡng cao hơn hàng chục lần so với nồng độ của lớp khi qua lớp vật liệu phía dưới. Kết quả là ở các lớp vật liệu phía trên, màng sinh vật phát triển mạnh hơn và các chất hữu cơ cũng bị oxy hóa mạnh hơn do đó tiêu thụ oxy cũng mạnh hơn. Vai trò chủ đạo trong quần thể sinh vật ở lớp vật liệu phía trên là những vi sinh vật dinh dưỡng bởi các chất hữu cơ tan: vi khuẩn, nấm và một số xạ khuẩn không màu. Vi khuẩn. Trong bể lọc, vai trò chính là những vi khuẩn hiếu khí, tùy tiện và yếm khí. Ở mặt ngoài của màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn tạo nha bào Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng (tức là lớp giữa hạt vật liệu và lớp hiếu khí mặt ngoài) gồm chủ yếu vi khuẩn yếm khí Desunfovibro. Ở đó hoàn toàn không có oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 33 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là tùy tiện – sống trong điều kiện có oxy hòa tan hoặc thiếu oxy cũng được. Những vi khuẩn tùy tiện gồm: nhiều loại như Flavobacterium, Pseudomonas, Alealigenes, Micrococcus là những giống thuộc họ Enterobacteriaceae. Nấm. Cũng có trong bể lọc. Chúng là loại hiếu khí nên chỉ sống trong vùng có oxy hòa tan. Nấm phải cạnh tranh với vi khuẩn để lấy thức ăn, nhưng không nổi so với vi khuẩn. Do đó ở điều kiện môi trường bình thường thì sự phát triển của nấm cũng bị hạn chế. Với nước thải công nghiệp, đặc biệt là với pH thấp thì nấm và một số loài vi khuẩn dạng chỉ phát triển mạnh. Nhưng đó là điều không mong muốn. Tảo. Trên bề mặt bể lọc thường phát triển tảo. Tảo không đóng góp nhiều cho quá trình phân hủy chất hữu cơ vì chúng sống chủ yếu nhờ các ion vô cơ trong nước thải. Ánh sáng mặt trời cũng cần cho quá trình năng lượng của tảo thì bị hạn chế, nên ở bể lọc tảo không thể phát triển được nhiều, mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt bể mà thôi. Tuy nhiên chúng cũng phát triển và có khi phủ đầy trên mặt bể đó, nhưng rồi lại bị nước xối đi xuống các lớp dưới. Động vật nguyên sinh và động vật không xương sống. Cũng có trong bể lọc. Ở các lớp vật liệu lọc phía trên có các loại bền vững chịu được với trạng thái oxy. Đó là các loài Paramecium, Putriun, Pcaudatum, Colpidium Colpoda v.v…Nói chung Protozoa có đủ loại từ Phytomastigophora đến Suctoria. Phytpmastigphora tồn tại ở các lớp phía trên khi chất dinh dưỡng đủ cao và cho phép chúng cạnh tranh được với vi khuẩn. Ciliates có thể thấy ở mọi nơi ở các vùng hiếu khí. Loài Ciliates có tiêm mao, chân thì sống ở lớp dưới bể. Ở các bộ lọc, Protozoa rất đa dạng, thậm chí trong cùng một bể chúng cũng rất dễ biến đổi tùy thuộc sự biến đổi thức ăn và điều kiện môi trường. Ngoài ra còn có các loài động vật bậc cao. Dòi, bọ và các loài con trùng, giun sán như: Podura, Psychoda v.v… Những loài này ăn vi sinh vật, động vật hạ đẳng, và sống ở những vùng hiếu khí. Nhìn chung ở vùng trên bể lọc, sinh khối nhiều nhất; Ở vùng giữa ít hơn; Ở vùng dưới cùng ít nhất. Nhưng ngược lại, số chủng loại thì càng xuống dưới càng nhiều càng đa dạng hơn. Chiều cao của mỗi vùng tùy thuộc chế độ công nghệ của bể. Khi bể làm việc với chế độ xử lý không hoàn toàn thì không có vùng thứ ba. Khi tưới với lưu lượng nhỏ thì vùng này lại có thể chiếm tới một nữa chiều cao bể. Tùy thuộc lượng chất bẫn dẫn vào mà số lượng vi khuẩn có thể thay đổi (xem bảng 2.2) Bảng 2. 6 Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa Số vi khuẩn (triệu/ml) Lượng chất bẩn g NOS/m3 Vl lọc Ở chiều sâu 0,5m Ở chiều sâu 2m 930 1270 1740 4,2 5,8 26,6 2,7 4,2 11,9 Sự phân bố các loài vi sinh vật tùy thuộc thành phần tính chất nước thải. Chẳng hạn khi dùng bể lọc để xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa thấy: nấm và vi khuẩn Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 34 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Butyric phát triển chủ yếu ở vùng trên, vi khuẩn phân hủy axit hữu cơ ở vùng giữa, vi khuẩn phân hủy mỡ và vi khuẩn amon hóa ở dưới cùng. Vì màng sinh vật ở vùng trên bị xói đi và có thể bám vào, lưu lại ở những vùng dưới. Nhưng số vi khuẩn – những tác nhân oxy hóa hoạt tính lại bị giảm đi rõ rệt (Bảng 2.3) Lý thuyết lọc Ta hãy tưởng tượng, bể lọc với hệ vòi phun hoặc tưới phản lực. Nước thải được tưới đều trên bề mặt vật liệu lọc. Ở bề mặt lớp trên cùng sẽ hình thành một lớp nước mỏng và chảy xuống các lớp dưới. Ở những bể lọc kiểu vòi phun hoặc hệ phản lực bao giờ cũng có thời gian nghỉ giữa hai lần tưới. Nước thải sẽ chảy qua bề mặt các hạt vật liệu, trào sóng rất nhanh và để lại một “cái áo choàng mỏng” bằng nước, gọi là màng nước bao quanh hạt vật liệu lọc. Màng nước này sẽ hấp thụ oxy từ không khí ở các lỗ hổng giữa các hạt và cho phép vi sinh vật thực hiện quá trình trao đổi hiếu khí. Bảng 2. 7 Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa. Bậc 1 Bậc 2 Số vi khuẩn Số vi khuẩn Theo chiều cao bể lọc Sinh khối màng sinh vật kg/m3 VL lọc Trong 1g sinh khối màng lọc (triệu) Trong 1m3 VL lọc (tỷ) Sinh khối màng sinh vật kg/m3 VL lọc (triệu) Trong 1g sinh khối sv khô (tỷ) Trong 1m3 Vl lọc Bề mặt 1m cách bề mặt 2m cách bề mặt 13,2 15,3 7,73 1670 200 900 22000 3060 6960 5,57 7.45 3,26 1200 870 890 6800 6500 2900 Sự hấp thụ oxy Oxy hấp thụ từ không khí và tỷ lệ thuận với độ thiếu hụt oxy trong nước ở biển giới phân chia nước – không khí. Áp suất riêng phần của oxy trong không khí ở lỗ hổng là lực chủ đạo làm cho oxy tan vào nước. Nếu nước chứa oxy thấp hơn mức bão hòa thì sẽ xác định được sự phục hồi cân bằng ở điểm bão hòa. Tốc độ tiêu thụ oxy sẽ là hàm số phụ thuộc đặc tính nước thải và độ thiếu hụt oxy. Với đa số loại nước thải có tính chất ổn định, có thể biểu thị bằng số K. (bảo hòa) (thực tế) 2 2 2 dO KO O dt = − (2-8) Đã biết chắc rằng tốc độ hấp tụ oxy đạt giá trị cực đại khi nồng độ oxy trong nước bằng không. Cần thấy rằng lớp nước ở biên giới sẽ bão hòa oxy và tốc độ hấp thụ oxy sẽ giảm tới 0, trừ khi oxy ở màng nước biên giới hấp thụ vào vùng trong, ở đó sự thiếu hụt oxy. Sự khuếch tán là một quá trình rất chậm và bị khống chế bởi nồng độ các hợp phần. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 35 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Cách tốt nhất để hấp thụ oxy là tạo dòng chảy rối. Sự chảy rối sẽ làm cho màng nước bề mặt bão hòa oxy và màng nước bên trong chưa bão hòa oxy đổi chỗ cho nhau. Quá trình chảy rối đạt được và làm thay đổi các màng nước ở biên giới phân chia nước – không khí. Như vậy bề mặt luôn luôn được trở nên mới mẻ. Bề mặt mới là cơ sở của việc hấp thụ oxy và là giới hạn trên của quá trình trao đổi của vi sinh vật. Lượng oxy tổng cộng có thể hấp thụ được trên một đơn vị thời gian, trước tiên liên quan tới vùng phát triển sinh vật trong điều kiện cấp không khí liên tục. Một cách gián tiếp, những bề mặt lộ ra có liên quan tới diện tích bề mặt của vật liệu lọc. Với hạt vật liệu lọc đường kính 12mm có khoảng 14m2/m3 vật liệu lọc. Trong khi đó với hạt đường kính 50mm chỉ có khoảng 3,1m2/m3 vật liệu lọc. Với quan điểm thuần túy về hấp thụ oxy thì: khi hạt vật liệu lọc có đường kính nhỏ 2mm, tốc độ hấp thụ oxy sẽ lớn hơn so với khi hạt vật liệu lớn 50mm. Nhưng với quan điểm thực tiễn, ở lớp vật liệu trên về dung tích lỗ hổng cho vi sinh vật phát triển và thoả mãn yêu cầu vận chuyển không khí, thì vật liệu lớn 50mm sẽ có tốc độ hấp thụ oxy cao hơn nhiều so với vật liệu nhỏ 12mm. Hình 2. 16 Sơ đồ nước chảy trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Khử chất hữu cơ Nước thải chứa một lượng nhất định các chất hữu cơ mà bể lọc phải khử. Nước thải chạy qua các hạt vật liệu, thực tế là chảy trên mặt màng sinh vật chứ không phải xuyên qua màng đó. Dòng nước sẽ hòa trộn vối màng nước biên giới trên bề mặt màng sinh vật. Nếu nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới thấp hơn so với nồng độ ở nước thải thì chất hữu cơ sẽ từ dòng nước thải chuyển sang màng nước biên giới. Ngược lại, nếu nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới cao hơn thì chất hữu cơ sẽ chuyển từ màng nước biên giới đó sang màng nước chảy qua. Trong thực tế, chất hữu cơ sẽ chuyển vào màng biên giới và hòa tan vào đó. Tốc độ chuyển qua sẽ nhanh nhất khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải chảy vào cao nhất và nồng độ ở màng nước biên giới thấp nhất. Gradian nồng độ được biểu thị ở (Hình 2.17). Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 36 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 17 Sơ đồ chuyển hóa vật chất giữa màng nước chuyển động và màng nước cố định. EP: end product – sản phẩm cuối F: food – thức ăn. Bể lọc sẽ tiếp tục khử chất hữu cơ cho đến khi vi sinh vật làm giảm nồng độ chất hữu cơ ở màng nước biên giới. Màng sinh vật ở lớp vật liệu phái trên được kích thích và trao đổi mạnh mẽ do nồng độ cao các chất hữu cơ trong nước thải vừa mới chảy vào. Phần chất hữu cơ được chuyển thành tế bào mới, trong khi đó một phần tương đương được oxy hóa để cung cấp năng lượng cho việc tổng hợp. Mặc dầu ở màng nước biên giới, nồng độ chất hữu cơ khá cao nhưng lượng tổng cộng của chất hữu cơ trên một đơn vị sinh khối vi sinh vật cũng thấp, chất hữu cơ được khử rất nhanh trước khi có dòng nước mới chảy qua hạt vật liệu. Vì các lớp vật liệu trên cùng của bể lọc tiếp nhận nồng độ cao nhất của các chất hữu cơ, nên rõ ràng là tốc độ phát triển vi sinh vật ở đó cao nhất. Càng xuống dưới thì tốc độ phát triển càng giảm. Tốc độ hoạt hóa của vi sinh vật tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu cơ. Vì vậy tốc độ khử chất hữu cơ bởi vi sinh vật giảm theo thời gian. Vi sinh vật không thể trao đổi một cách hoàn toàn tất cả cá chất hữu cơ ở màng nước biên giới giữa hai lần tưới. Điều này nghĩa là, đối với bể lọc nhỏ giọt không thể đạt hiệu suất 100% khử chất hữu cơ khi nước qua bể. Thời gian tiếp xúc càng ngắn, bể lọc càng nông và lưu lượng nước càng lớn thì nồng độ chất hữu cơ trong nước ra khỏi bể lọc càng cao. Có người cho rằng bể lọc nhỏ giọt không thể khử được hết chất hữu cơ. Một phần BOD còn chứa ở nước ra. Thực tế, với những điều kiện phù hợp thì có thể khử dễ dàng BOD của nước ra cũng như BOD của nước vào bể. Muốn khử được hoàn toàn BOD thì bể lọc phải có chiều cao vô hạn. Nhưng trên thực tế, điều đó không thể có được. Việc khử chất hữu cơ bằng bể lọc phụ thuộc vào sự có mặt của vi sinh vật, nồng độ chất hữu cơ, kích thước hạt vật liệu hoặc diện tích bề mặt tiếp xúc của vi sinh vật, thời gian nước lưu lại trong bể, nhiệt độ. Nồng độ chất hữu cơ vào bể lọc tùy thuộc từng loại nước thải, độ pha loãng bằng nước tuần hoàn sau khi làm sạch. Nồng độ chất hữu cơ cao sẽ kích thích mạnh hoạt tính vi sinh vật, nên toàn bộ oxy bị tiêu hao hết và bể lọc trở thành yếm khí, để giữ Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 37 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG cho bể lọc ở trạng thái hiếu khí, nước thải chứa chất hữu cơ với nồng độ cao thường pha loãng bằng nước tuần hoàn để nồng độ thấp hơn ngưỡng tạo điều kiện yếm khí. Thời gian lưu nước lại trong bể lọc là hàm số của diện tích bề mặt vi sinh vật và tải trọng thủy lực. Đối với tải trọng thủy lực cao thì thời gian lưu lại ngắn và vi sinh vật không có đủ thời gian để kịp phân giải chất hữu cơ. Khi đó hiệu suất khử giảm. Nếu tỷ lệ tuần hoàn cao sẽ làm giảm nồng độ chất hữu cơ, nhưng thời gian nước lưu lại cũng bị ngắn lại. Cả hai yếu tố này đều có hại cho việc khử chất hữu cơ trong nước thải. Diện tích bề mặt của vi sinh vật tiếp xúc với chất hữu cơ cũng là hàm số của kích thước vật liệu lọc và chiều cao củ