Đồ án Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI Việt Nam là một nước đang phát triển. Cơng nghiệp hĩa- hiện đại hĩa được xem như chìa khĩa để phát triển đất nước. Hiện nay với hơn 800.000 cơ sở sản xuất cơng nghiệp và gần 70 khu chế xuất, khu cơng nghiệp tập trung đã đĩng gĩp một phần lớn vào GDP của đất nước. Bên cạnh sự phát triển của các ngành kinh tế, sự phồn vinh của đất nước thì vấn đề luơn đi kèm với sự phát triển là ơ nhiễm mơi trường, một vấn đề nhức nhối và chưa được quan tâm đúng mức. Các chất thải đủ loại của các ngành cơng nghiệp với hàm lượng cao của các chất độc hại, các chất hữu cơ và kim loại nặng được xả thẳng ra mơi trường đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Ngồi ra, nước ta cũng là một quốc gia cĩ tỉ lệ tăng dân số cao trong khu vực và trên thế giới. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của người dân, một lượng nước thải sinh hoạt khơng nhỏ chưa được xử lý đã được thải ra mơi trường dẫn đến tình trạng ơ nhiễm mùi và hàm lượng chất hữu cơ cao. Do đĩ, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để giảm bớt nồng độ ơ nhiễm của nước thải đến mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam trước khi thải ra mơi trường. Vì vậy, xử lý nước thải là một việc làm rất cần thiết và cấp bách. Thực tế là trong số các biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm, xử lý nước thải đã và đang được coi là biện pháp chủ lực. Cĩ nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, phương pháp hố học, phương pháp nhiệt…nhưng phương pháp luơn được hướng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng là xử lý sinh học, do cơng nghệ đơn giản, chi phí vận hành thấp nhờ dựa vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật cĩ thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Vì vậy, việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một bước cực kì quan trọng và cần thiết trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải nĩi chung. Trong đĩ việc sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để xử lý nước thải là phương pháp phổ biến nhất trong các cơng trình xử lý hiện nay. Tuy phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí là rất phổ biến và đã được nghiên cứu nhiều nhưng các tài liệu liên quan cịn khá phân tán, rải rác, khĩ nắm bắt tổng thể. Từ những băn khoăn trên và để gĩp phần làm rõ thêm về vai trị của các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí” đã ra đời. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí nhằm giảm thiểu ơ nhiễm các chất hữu cơ trong nước thải gây ra cho mơi trường. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải nĩi chung. - Tổng quan về các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải. - Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí: các biến đổi hố sinh học và vi sinh học, động học của quá trình, các thơng số ảnh hưởng, các dạng cơng trình xử lý vi sinh hiếu khí... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập, sắp xếp và tổng hợp những tài liệu cần thiết cĩ liên quan đến đề tài thành một hệ thống logic và hồn chỉnh. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1.1 Khái niệm về nước thải và sự ơ nhiễm nước Nước thải là nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc nước chảy tràn qua các vùng ơ nhiễm. Tùy vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp, và nước thải là nước mưa. Tổng 3.110.000 m3 nước thải/ ngày (2005). Nước thải sinh hoạt đơ thị (1.990.400m3/ngày) Nước thải bệnh viện (124.400m3/ngày) Nước thải sản xuất từ các khu cơng nghiệp (995.200m3/ngày) Hình 2.1: Ước tính tổng lượng nước thải hàng ngày (Việt Nam). ( Nguồn: theo tính tồn của TTKTMTĐT&KCN, ĐH Xây dựng Hà Nội, 2005) Ơ nhiễm nước là hiện tượng những yếu tố bên trong và bên ngồi mơi trường nước tác động vào mơi trường nước làm thay đổi thành phần và tính chất của nước, cĩ hại cho hoạt động sống bình thường của sinh vật và con người, bởi sự cĩ mặt của một hay nhiều hĩa chất lạ vượt qua ngưỡng chịu đựng của sinh vật. Nĩi cách khác nước bị ơ nhiễm là bởi các chất khác nhau làm cho chất lượng nước thay đổi theo khuynh hướng xấu đi. Sự ơ nhiễm nước chịu tác động bởi 3 yếu tố: vật lý, hố học và sinh học. Ba yếu tố này cĩ tác động đồng thời cũng cĩ khi tác động riêng lẻ. Sự ổn định trạng thái nước trong điều kiện tự nhiên là rất mong manh, hay nĩi cách khác mơi trường nước rất nhạy cảm với các yếu tố bên ngồi và cĩ khả năng lan truyền rất nhanh. Sự ơ nhiễm nước tự nhiên xảy ra do 2 nguồn gây ơ nhiễm chính: - Nguồn gốc tự nhiên của ơ nhiễm nước là do mưa, tuyết tan, giĩ bão, lũ lụt. Những tác động ơ nhiễm do mưa xảy ra thường xuyên. Các tác nhân trên dựa vào mơi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật và vi sinh vật cĩ hại, kể cả xác chết của chúng. Tác động này cĩ thể khi mưa, hạt nước rửa trơi bầu khơng khí bị ơ nhiễm, kéo theo những chất ơ nhiễm và thải vào mơi trường nước. Cũng cĩ thể mưa sẽ rơi trên các mái nhà, đường phố, khu chăn nuơi, bệnh viện…kéo theo những chất ơ nhiễm làm bẩn mơi trường nước, trong đĩ cĩ hiện tượng mưa acid thường gây ra những hậu quả rất nghiêm trọng. Hiện tượng động đất và hiện tượng núi lửa ít xảy ra nhưng một khi đã xảy ra thì mức độ ơ nhiễm nước tự nhiên thường rất mạnh và rất khĩ xử lý trong một thời gian ngắn. Tác động xấu của hiện tượng ơ nhiễm này thường kéo dài, thậm chí cĩ thể kéo dài hàng thế kỷ. - Nguồn gốc con người của ơ nhiễm nước: những hoạt động sống của con người rất đa dạng và gây ra ơ nhiễm nước thường xuyên dưới nhiều hình thức. Những tác động đĩ cĩ thể là hiện tượng thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, cơng nghiệp, nơng nghiệp (sản xuất thuốc trừ sâu, phân bĩn nơng nghiệp), giao thơng vận tải… vào mơi trường nước, cĩ thể là hiện tượng tràn dầu, dịch bệnh hoặc chiến tranh (chiến tranh hố học, chiến tranh sinh học và chiến tranh hạt nhân). - Trong các tác nhân gây ơ nhiễm nước thì tác động làm nước bị ơ nhiễm mạnh nhất và thường xuyên nhất là tác động do con người gây ra. Những tác động này xảy ra ở nhiều nơi làm hiện tượng nước ngọt cĩ trong điều kiện tự nhiên ngày càng bị thu hẹp lại. Phải mất một thời gian dài nữa thì lồi người mới cĩ thể giải quyết được những hậu quả đĩ. Mọi cố gắng của lồi người bây giờ là làm giảm đến mức tối đa những tác động xấu đến mơi trường nước. 2.1.2 Phân loại nước thải 2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khống. Ngồi ra, trong nước thải sinh hoạt cịn chứa nhiều lồi vi sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng, phần lớn là các virus, vi khuẩn gây bệnh…,và chúng thường chứa các thành phần dinh dưỡng rất cao. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ khơng bền sinh học (hydratcarbon, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi. Nước thải sinh hoạt thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các cơng trình cơng cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thốt nước. Bảng 2.1 Tải lượng ơ nhiễm từ nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ơ nhiễm Hệ số tải lượng (gam/người.ngày) Tải lượng ơ nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lửng 70 – 145 89 – 184,5 Amoni (N-NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 – 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng hợp 6 – 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 – 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại: - Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phịng vệ sinh. - Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trơi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Bảng 2.2 Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt STT Các chất cĩ trong nước thải (mg/l) Mức độ ơ nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tổng chất rắn Chất rắn hồ tan Chất rắn khơng hồ tan Tổng chất rắn lơ lửng Chất rắn lắng Oxy hồ tan Nitơ tổng Nitơ hữu cơ N-NH3 N-NO2 N-NO3 Clorua Độ kiềm (mg CaCO3) Chất béo Tổng photpho 1.000 700 300 600 12 0 85 35 50 0,1 0,4 175 200 40 - 500 350 150 350 8 0 50 20 30 0,05 0,2 100 100 20 8 200 120 8 120 4 0 25 10 15 0 0,1 15 50 0 - Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngịai ra cịn cĩ các thành phần vơ cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo, và các chất béo (5 -10%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khỏang 150 –450% mg/l theo trọng lượng khơ. Cĩ khỏang 20 – 40% chất hữu cơ khĩ phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đơng đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat khơng được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nghiêm trọng. Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thĩi quen của người dân, cĩ thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp. Giữa lượng nước thải và tải trọng chất thải của chúng biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5 cĩ 1 mối tương quan nhất định. Nước thải sinh hoạt cĩ hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đơi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là khơng phải tất cả các chất hữu cơ đều cĩ thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thốt ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn. 2.1.2.2 Nước thải cơng nghiệp Là lọai nước thải sau quá trình sản xuất, cĩ thành phần và tính chất phức tạp hơn so với nước thải sinh hoạt và phụ thuộc vào loại hình cơng nghiệp. Đặc tính ơ nhiễm và nồng độ của nước thải cơng nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào lọai hình cơng nghiệp và chế độ cơng nghệ lựa chọn. Bảng 2.3 Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải của một số ngành cơng nghiệp Ngành cơng nghiệp Các chất ơ nhiễm Nồng độ (mg/l) Nhà máy luyện thép NH3-N 200 N hữu cơ 100 Phenol 2.000 Xi mạ Cr+6 3 – 550 Nhựa dẻo COD 23.000 TOC 8.800 Hồ thải từ cơng đoạn dán gỗ COD 2.000 Phenol 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 Phân bĩn BOD5 4.500 Chất rắn lơ lửng 10.000 Giết mổ gia súc BOD5 400 – 2.500 Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000 Bột giấy và giấy BOD5 100 – 350 Chất rắn lơ lửng 75 – 300 Thuộc da BOD5 700 – 7.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Trong cơng nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thơ hay phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt. Nước cấp cho sản xuất cĩ thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp cĩ hệ thống xử lý riêng. Nhu cầu về cấp nước và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lưu lượng nước thải của các xí nghiệp cơng nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất. Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành cơng nghiệp, số liệu cũng cĩ thể thay đổi đáng kể do mức độ hồn thiện của cơng nghệ sản xuất hoặc điều kiện mơi trường. 2.1.2.3 Nước thải là nước mưa Đây là lọai nước thải sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất và lơi kéo theo các chất cặn bã, dầu mỡ,… khi đi vào hệ thống thĩat nước. Những nơi cĩ mạng lưới cống thốt riêng biệt: mạng lưới cống thốt nước thải riêng với mạng lưới cống thốt nước mưa. Nước thải đi về nhà máy xử lý gồm: nước sinh hoạt, nước cơng nghiệp và nước ngầm thâm nhập, nếu sau những trận mưa lớn khơng cĩ hiện tượng ngập úng cục bộ, nếu cĩ nước mưa cĩ thể tràn qua nắp đậy các hố ga chảy vào hệ thống thốt nước thải. Lượng nước thâm nhập do thấm từ nước ngầm và nước mưa cĩ thể lên tới 470m3/ha.ngày. Nơi cĩ mạng cống chung vừa thốt nước thải vừa thốt nước mưa. Đây là trường hợp hầu hết ở các thị trấn, thị xã, thành phố của nước ta. Lượng nước chảy về nhà máy gồm nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp, nước ngầm thâm, và một phần nước mưa. Trong những tác động mạnh nhất của mưa đến mơi trường nước là hiện tượng mưa acid. Mưa acid là sự lắng tụ các chất khí tạo ra acid như CO2, SOx NOx Cl2…bởi tuyết, sương mù, bụi và các tác nhân gây sự lắng đọng khác từ khơng khí. Tác động dễ nhận thấy sau những trận mưa acid là làm chua đất, chua nước. Ảnh hưởng rất xấu đất khu hệ sinh vật đất và khu hệ sinh vật nước. 2.1.3 Các chất gây nhiễm bẩn nước - Các yếu tố vật lý: nhiệt độ cao hay thấp, pH, biến đổi màu nước. - Các yếu tố hĩa học: các chất hữu cơ, vơ cơ, các hợp chất chứa nitơ, hợp chất chứa photpho và các kim loại nặng. + Các chất hữu cơ khĩ phân hủy: thuộc các chất hữu cơ cĩ vịng thơm, các chất đa vịng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ,…Chúng tồn tại lâu dài trong mơi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy. Hàm lượng các chất này trong nguồn nước tự nhiên rất thấp. + Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo cĩ nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các chất gây ơ nhiễm chính cĩ nhiều trong nước thải sinh hoạt, từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các chất này chủ yếu làm suy giảm các chất hịa tan trong nước. + Các kim loại nặng: hầu hết các kim loại nặng đều cĩ độc tính cao đối với người và động vật. Trong nước thải cơng nghiệp thường chứa các kim loại nặng là chì, thủy ngân, crom, cadimi, asen… + Các ion vơ cơ: các ion vơ cơ cĩ nồng độ cao trong nước tự nhiên, đặc biệt là nước biển. Trong nước thải cĩ một lượng khá lớn các hợp chất vơ cơ tùy thuộc vào các nguồn nước thải. - Các yếu tố sinh học: virus, vi khuẩn gây bệnh, vi nấm nguyên sinh động vật, các lồi giun sán. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn cĩ tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn khơng tan, đến các loại chất khĩ tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đĩ, làm sạch lại nước và cĩ thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đĩ chúng ta thường dựa vào những đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Thơng thường cĩ các phương pháp xử lý nước thải như sau: Xử lý bằng phương pháp cơ học Xử lý bằng phương pháp hố lý và hố học. Xử lý bằng phương pháp sinh học 2.2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng ở giai đoan đầu của quá trình xử lý nước thải hay cịn gọi là quá trình xử lý sơ bộ hay là quá trình tiền xử lý. Qúa trình này dùng để loại bỏ các tạp chất khơng tan cĩ trong nước thải, bao gồm các tạp chất vơ cơ và hữu cơ cĩ trong nước. Nĩ là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an tồn cho các cơng trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học cĩ nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên tuỳ theo thành phần và tính chất nước thải xử lý mà các cơng trình sau đây cĩ thể áp dụng: 2.2.1.1 Thiết bị chắn rác Thiết bị chắn rác cĩ thể là song chắn rác hoặc lưới chắn rác, cĩ chức năng chắn giữ những rác bẩn thơ (giấy, rau, cỏ, rác…), nhằm đảm bảo đảm cho máy bơm, các cơng trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định. Song và lưới chắn rác được cấu tạo bằng các thanh song song, các tấm lưới đan bằng thép hoặc tấm thép cĩ đục lỗ… tùy theo kích cỡ các mắt lưới hay khoảng cách giữa các thanh mà ta phân biệt loại chắn rác thơ, trung bình hay rác tinh. Thiết bị chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoạc cĩ thể đặt trước miệng xả của nhà máy sản xuất. Lưới chắn rác thường đặt nghiêng một gĩc 45 - 60º so với phương thẳng đứng, khe rộng mắt lưới thường 10 - 20mm. Theo cách thức làm sạch thiết bị chắn rác ta cĩ thể chia làm 2 loại: loại làm sạch bằng tay, loại làm sạch bằng cơ giới. 2.2.1.2 Thiết bị nghiền rác Là thiết bị cĩ nhiệm vụ cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, các mảnh nhỏ lơ lửng trong nước thải để khơng làm tắc ống, khơng gây hại cho bơm. Trong thực tế cho thấy việc sử dụng thiết bị nghiền rác thay cho thiết bị chắn rác đã gây nhiều khĩ khăn cho các cơng đoạn xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên như làm tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thống trong các bể (đĩa, lỗ phân phối khí và dính bám vào các tuabin…. Do vậy phải cân nhắc trước khi dùng. 2.2.1.3 Bể điều hịa Là đơn vị dùng để khắc phục các vấn đề sinh ra do sự biến động về lưu lượng và tải lượng dịng vào, đảm bảo hiệu quả của các cơng trình xử lý sau, đảm bảo đầu ra sau xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này. Cĩ 2 loại bể điều hịa: − Bể điều hịa lưu lượng − Bể điều hịa lưu lượng và chất lượng Các phương án bố trí bể điều hịa cĩ thể là bể điều hịa trên dịng thải hay ngồi dịng thải xử lý. Phương án điều hịa trên dịng thải cĩ thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các cơng đoạn phía sau, cịn phương án điều hịa ngồi dịng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đĩ. Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hịa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom cũng như đặc tính của nước thải. 2.2.1.4 Bể lắng cát Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thơ, nặmg như: cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại, tro, than vụn… nhằm bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mịn, giảm cặn nặng ở các cơng đoạn xử lý sau. Bể lắng cát thường đặt sau song chắn rác và đặt trước bể điều hồ lưu lượng. Bể lắng cát gồm những loại sau: − Bể lắng cát ngang − Bể lắng cát đứng − Bể lắng cát tiếp tuyến − Bể lắng cát làm thống 2.2.1.5 Quá trình lắng Lắng là phương pháp đơn giản nhất để tách các chất bẩn khơng hịa tan ra khỏi nước thải. Dựa vào chức năng và vị trí cĩ thể chia bể lắng thành các loại: − Bể lắng đợt 1: Được đặt trước cơng trình xử lý sinh học, dùng để tách các chất rắn, chất bẩn lơ lửng khơng hịa tan. − Bể lắng đợt 2: Được đặt sau cơng trình xử lý sinh học dùng để lắng các cặn vi sinh, bùn làm trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Căn cứ vào chiều dịng chảy của nước trong bể, bể lắng cũng được chia thành các loại giống như bể lắng cát ở trên: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng tiếp tuyến (bể lắng radian). 2.2.1.6 Quá trình lọc Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán cĩ kích thước nhỏ khỏi nước thải, mà các bể lắng khơng thể loại được chúng. Người ta tiến hành quá trình lọc nhờ các vật liệu lọc, vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ các tạp chất lại. Vật liệu lọc được sử dụng thường là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi, thậm chí cả than nâu, than bùn hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương. Cĩ nhiều dạng lọc: lọc chân khơng, lọc áp lực, lọc chậm, lọc nhanh, lọc chảy ngược, lọc chảy xuơi… 2.2.1.7 Quá trình tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán khơng tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng được dùng để tách các chất hịa tan như các chất hoạt động bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay lám đặc bọt. Trong xử lý nước thải về nguyên tắc tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là khơng khí) vào trong pha lỏng. Các khí đĩ kết dính với các hạt và khi lực nổi tập hợp các bĩng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo các hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đĩ chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là cĩ thể khử hồn tồn các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trongthời gian ngắn. 2.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hố lý và hố học Bản chất chung của quá trình xử lý hố lý và hố học là áp dụng các quá trình vật lý và hố học để loại bớt các chất ơ nhiễm mà khơng thể dung phương pháp cơ học loại bỏ được. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hố học diễn ra giữa các chất ơ nhiễm và các hố chất thêm vào. Các phương pháp thường được sử dụng là oxy hố và trung hồ. Đi đơi với các phương pháp này cịn kèm theo các quá trình kết tủa và nhiều hiện tượng khác. Các cơng trình tiêu biểu của phương pháp này bao gồm 2.2.2.1 Quá trình keo tụ, tạo bơng Quá trình keo tụ tạo bơng được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo cĩ kích thước rất nhỏ. Các chất này tồn tại ở dạng khuếch tán và khơng thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian. Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì ta nên thêm vào nước thải một số hố chất như phèn nhơm, phèn sắt, polymer… các chất này cĩ tác dụng kết dính các chất khuếch tán trong dung dịch thành các hạt cĩ kích cỡ và tỉ trọng lớn hơn nên sẽ lắng nhanh hơn. Trong khi tiến hành quá trình keo tụ, tạo bơng cần chú ý: pH của nước thải Bản chất của hệ keo Sự cĩ mặt của cácion trong nước Thành phần của các chất hữu cơ trong nước Nhiệt độ Các phương pháp keo tụ cĩ thể là keo tụ bằng chất điện li, keo tụ bằng hệ keo ngược dấu. trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ, sau khi kết thúc giai đoạn thuỷ phân các chất keo tụ (phèn nhơm, phèn sắt, phèn kép), giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hình thành bơng cặn. Để cho quá trình tạo bơng cặn diễn ra thuận lợi người ta xây dựng các bể phản ứng đáp ứng các chế độ khuấy trộn. Bể phản ứng theo chế độ khuấy trộn được chia làm 2 loại: thuỷ lực và cơ khí. Thơng thường, sau khi diễn ra quá trình keo tụ tạo bơng, nước thải sẽ được đưa qua bể lắng để tiến hành loại bỏ các bơng cặn cĩ kích thước lớn mới được hình thành. Phương pháp keo tụ cĩ thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi tạo bơng cặn, các bơng cặn lớn lắng xuống thì những bơng cặn này cĩ thể kéo theo các chất phân tán khơng tan gây ra màu. 2.2.2.2 Phương pháp trung hồ Nước thải sản xuất của nhiều ngành cơng nghiệp cĩ thể chứa axit hoặc kiềm. Để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hĩa ở các cơng trình làm sạch và nguồn nước khơng bị phá hoại, ta cần phải trung hịa nước thải. Trung hịa cịn nhằm mục đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải. Mặt khác muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hịa và điều chỉnh pH về 6.6 - 7.6 Trung hịa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hịa dịch nước thải. Ngồi ra, cĩ thể tận dụng nước thải cĩ tính acid trung hịa nước thải cĩ tính kiềm hoặc ngược lại. 2.2.2.3 Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là phương pháp tách các chất hữu cơ và khí hồ tan ra khỏi nước thải bằng cách tập trung các chất đĩ trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hồ tan với các chất rắn (hấp phụ hố học). Hấp phụ cĩ thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và pha rắn. Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xảy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì cĩ thể diễn ra quá trình khứ hấp phụ. Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phục hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết. Những chất hấp phụ cĩ thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp cĩ khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đơlơmit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bơng cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng cĩ khả năng hấp phụ. 2.2.2.4 Phương pháp trích ly Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hồ tan ra khỏi nước thải bằng dung mơi nào đĩ nhưng với điều kiện dung mơi đĩ khơng tan trong nước và độ hồ tan chất bẩn trong dung mơi cao hơn trong nước. Kỹ thuật trích ly cĩ thể tiến hành như sau : cho dung mơi vào trong nước thải và trộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng. Tiếp đĩ cho qua bể lắng. Do sự chênh lệch về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và để tách biệt chúng ra bằng phương pháp cơ học. 2.2.2.5 Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đĩ các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion cĩ cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là ionit (chất trao đổi ion). Chúng hồn tồn khơng tan trong nước. Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn,… cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua và chất phĩng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khỏi nước cứng. Các chất trao đổi ion cĩ thể là các chất vơ cơ hoặc hữu cơ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. Phương pháp này cho phép thu hồi các kim loại cĩ giá trị và đạt được mức độ xử lý cao. Vì vậy nĩ là phương pháp để ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước cấp và nước thải. 2.2.2.6 Phương pháp xử lý bằng màng Màng được định nghĩa là một pha đĩng vai trị ngăn cách giữa các pha khác nhau. Nĩ cĩ thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung mơi hoặc thậm chí cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đĩ qua màng. Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác ngày càng đĩng vai trị quan trọng trong xử lý nước thải. 2.2.2.7 Khử khuẩn Dùng các hố chất cĩ tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun sán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng. Khử khuẩn cĩ thể dùng hố chất hoặc các tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại. Hố chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo cĩ tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đĩ phải được phân huỷ hoặc bay hơi, khơng cịn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javen, vơi clorua, các hipoclorit, cloramin B…Đây là các hợp chất của clo, đảm bảo là những chất khử khuẩn đáp ứng được các yêu cầu trên, đồng thời cũng là các chất oxi hố. Trong quá trình xử lý nước thải, cơng đoạn khử khuẩn thường được đặt ở cuối quá trình trước khi làm sạch nước triệt để và chuẩn bị đổ vào nguồn. 2.2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh cĩ trong nước thải, cĩ khả năng phân hố những hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khống hố và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước. Cĩ 2 loại cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: - Điều kiện tự nhiên: bao gồm các cơng trình: cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc, cánh đồng tưới nơng nghiệp, hồ sinh học. - Điều kiện nhân tạo: cĩ thể chia thành 2 loại: + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện mơi trường được cung cấp oxi liên tục, gồm các cơng trình như: bể lọc sinh học, bể aerotank… + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kị khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện mơi trường khơng cĩ oxi, gồm các cơng trình như bể UASB, bể UAF… 2.2.3.1 Cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể. Như vậy, nước thải là một nguồn phân bĩn tốt cĩ lượng N thích hợp với sự phát triển của thực vật. Để sử dụng nước thải làm phân bĩn, đồng thời giải quyết xử lý nước thải theo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới cơng cộng và cánh đồng lọc. Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi cĩ độ dốc tự nhiên, cách xa khu dân cư về cuối hướng giĩ. Xây dựng ở những nơi đất cát, á cát, cũng cĩ thể ở nơi đất á sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới khơng cao và đảm bảo đất cĩ thể thấm kịp. 2.2.3.2 Cánh đồng tưới nơng nghiệp Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bĩn để tưới lên các cánh đồng nơng nghiệp ở những vùng ngoại ơ. Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại: - Thu nhận nước thải quanh năm - Thu nước thải theo mùa Trước khi đưa vào cánh đồng , nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác, bể lắng cát hoặc bể lắng. Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng cơng cộng và cĩ ý kiến chuyên gia nơng nghiệp. 2.2.3.3 Hồ sinh học Hồ sinh vật là các ao hồ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, cịn gọi là hồ oxy hĩa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hĩa sinh hĩa các chất hữu cơ nhờ các lồi vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ khơng được thấp hơn 6ºC. Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ. Ngồi việc xử lý nước thải cịn cĩ nhiệm vụ: + Nuơi trồng thuỷ sản. + Nguồn nước để tưới cho cây trồng. + Điều hồ dịng chảy. Cĩ các loại hồ sinh học sau đây: + Hồ kỵ khí. + Hồ kỵ hiếu khí + Hồ hiếu khí. 2.2.3.4 Bể lọc sinh học Nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật hoạt động ở màng sinh học, oxi hố các chất bẩn hữu cơ cĩ trong nước thải. Cĩ các loại sau: + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu khơng ngập trong nước. + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu ngập trong nước. + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu là các hạt cố định. + Đĩa quay sinh học RBC. 2.2.3.5 Bể xử lý sinh học bằng quá trình bùn hoạt tính (aerotank). Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinh vật oxy hố chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Vị trí của bể aerotank là sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2. Nguyên tắc hoạt động: nước thải sau khi qua bể lắng 1 cĩ chứa các chất hữu cơ hồ tan và chất lơ lửng đi vào bể aerotank, tại đây các vi khuẩn và vi sinh vật trong bể chuyển hố các chất hữu cơ phức tạp này thành các chất đơn giản hơn là các chất trơ khơng hồ tan và thành các tế bào mới. Cĩ 2 quá trình sinh hố xảy ra trong bể aerotank là: + Quá trình tăng sinh khối của vi sinh vật. + Quá trình hoạt động của enzyme hay quá trình chuyển hố vật chất hữu cơ cĩ trong nước thải ở các bể aerotank. 2.2.3.6 Bể UASB Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ và quá trình phân huỷ xảy ra tích cực. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dịng tuần hồn cục bộ, giúp việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Bọt khí và hạt bùn cĩ khí bám vào sẽ nổi lên trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên các bọt khí sẽ vỡ và hạt bùn được tách ra và lắng xuống. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc dịng hướng lên phải ở khoảng 0.6-0.9m/h. 2.2.3.7 Bể lên men cĩ thiết bị trộn và cĩ bể lắng riêng (ANALIFT). Cơng trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hồn. Giữa 2 thiết bị chính cĩ đặt một thiết bị khử khí để loại khí tắc trong các cục vĩn. Bể phản ứng cĩ lớp chống ăn mịn ở phía trong, cĩ lớp cách nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn. Khuấy trộn bằn cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu khơng gỉ. Bể lắng coi như một thiết bị cơ đặc, vì bùn tách ra cĩ nồng độ cao và từ đây cho bùn hồi lưu trở lại bể phản ứng. Tỉ lệ bùn tuần hồn khoảng 50-100%. Phương pháp này ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng, thích hợp đối với việc xử lý phân chuồng, xử lý các nước thải đặc như trong cơng nghiệp đồ hộp, cất cồn, cơng nghiệp hố chất, bột giấy, đường. Hiệu quả của phương pháp: loại bỏ được BOD5 tới 80-95%, COD từ 65-90%. VAI TRỊ CỦA PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và được sử dụng bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đĩ, mỗi phương pháp giúp loại bỏ một loại chất thải khác nhau: Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng để loại bỏ các tạp chất khơng tan, các loại tạp chất rắn cĩ kích cỡ lớn cĩ trong nước thải, bao gồm các tạp chất vơ cơ và hữu cơ cĩ trong nước thải như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì, giấy, cát sỏi, dầu mỡ… Ngồi ra cịn cĩ các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù khĩ lắng. Nĩ là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an tồn cho các cơng trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. Quá trình xử lý hố học là sử dụng hố chất giúp loại bỏ các loại vật chất lơ lửng phân tán rất nhỏ, hệ keo mà phương pháp xử lý cơ học khơng thể loại bỏ được hết. Ngồi ra cịn giúp chuyển dịch pH nước thải về pH trung tính và làm lắng các muối kim loại nặng để tách chúng ra khỏi nước thải. Tuy nhiên, nếu các hợp chất hữu cơ trong nước thải được xử lý bằng phương pháp hố học thì chi phí xử lý sẽ rất lớn và lại gây ra một số vấn đề về mơi trường vì khi đĩ chất ơ nhiễm khơng được xử lý mà chỉ chuyển từ dạng ơ nhiễm này sang dạng ơ nhiễm khác. Cho nên nếu xử lý các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp cơ học kết hợp với phương pháp hố lý nĩi chung thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đĩ, để xử lý nước thải nhiều chất hữu cơ dạng keo và hồ tan thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học và hay gặp là phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí vì hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải cần xử lý là khơng quá cao. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hồ tan cĩ trong nước thải như hydratcacbon, protein, lipid… và một số hợp chất vơ cơ như: H2S, sulfite, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật cĩ thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hồ tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật cĩ trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hồ tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thơ ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vơ cơ cĩ trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học cĩ thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hố hồn tồn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH Phương pháp xử lý sinh học cĩ thể chia thành 2 loại chính: - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường được cung cấp oxy liên tục. - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kỵ khí: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường khơng cĩ oxy. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hố sinh hố. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hồ tan, các chất keo tụ và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính sau: Chuyển các chất từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngồi tế bào. Chuyển hố các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Tốc độ quá trình oxi hố sinh hố phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hố là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxi trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng. Điều kiện áp dụng phương pháp sinh học vào xử lý nước thải phải thoả mãn: Nước thải khơng cĩ chất độc hại làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải. Chất hữu cơ cĩ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật (hydratcarbon, protein, lipit hồ tan). Tỉ số COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0.5 thì cĩ thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học. Ngồi ra cần phải chú ý chọn quần thể vi sinh vật thích ứng với từng loại nước thải. 3.2 CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ở mỗi loại nước thải thường cĩ những vi sinh vật đặc trưng riêng, phụ thuộc chủ yếu vào thành phần vật chất cĩ trong nước thải. Phần lớn vi sinh vật đĩng vai trị rất quan trọng trong quá trình chuyển hố sinh hố, chúng cĩ tác dụng làm giảm chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dịng chảy. Trong nước thải số lượng và chủng loại vi sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhất là các chất hữu cơ hồ tan trong nước, các chất độc, pH của mơi trường, những yếu tố quyết định đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật như các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng của chúng. Do đĩ, để tăng cường vai trị hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện mơi trường phù hợp. Nước càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi và sinh trưởng được thì sự phát triển của vi sinh vật càng nhanh.tuy nhiên, khơng phải tất cả các vi sinh vật đều cĩ lợi cho các quá trình chuyển hố trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện mơi trường khơng cịn thích hợp cho hoạt động của các lồi vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh vật trong hệ thống xử lý tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hố và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. Trong nước thải cĩ rất nhiều loại vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virus, thực khuẩn thể… nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Đặc biệt nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm, rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trong nước là rất lớn. Trong số này chủ yếu là vi khuẩn, chúng đĩng vai trị phân huỷ các chất hữu cơ, cùng với các khống chất khác dung làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải. 3.2.1 Vi khuẩn (Bacteria). Vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý vì nĩ chịu trách nhiệm phân huỷ các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể phân huỷ bằng vi sinh trong điều kiện hiếu khí, một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí khơng bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ, cịn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Theo quan điểm hiện đại (NCBI – National Center for Biotechnology Information, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây: Aquificae, Thermotogae, Thermodesulfobacteria, Deinococcus, Thermus, Chrysiogenetes, Chloroflexi, Nitrospirae, Defferribacteres, Cyanobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Planetomycetes, Chlamydiae/Nhĩm Verrucomicrobia, Spirochaetes, Fibrobacteres/Nhĩm Axitobacteria, Bacteroidetes/ Nhĩm Chlorobia, Fusobacteria, Dictyoglomy. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hố, sinh thái. Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, cĩ kích thước nhỏ từ 0.3 - 1μm, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khống chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si và Mg . Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đơi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối với 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đơi tế bào. Trong điều kiện chất dinh dưỡng, oxi, pH và nhiệt độ mơi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15 ÷ 30 phút. Các vi khuẩn trong nước thải cĩ thể chia làm 4 nhĩm lớn: nhĩm hình cầu (Cocci) cĩ đường kính khoảng 1 ¸ 3 mm; nhĩm hình que (Bacillus) cĩ chiều rộng khoảng 0,3 ¸ 1,5 mm chiều dài khoảng 1 ¸ 10,0 mm (điển hình cho nhĩm này là vi khuẩn E. coli cĩ chiều rộng 0,5mm chiều dài 2 mm); nhĩm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc (Spirilla), vi khuẩn hình que cong cĩ chiều rộng khoảng 0,6 ¸ 1,0 mm và chiều dài khoảng 2 ¸ 6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn ốc cĩ chiều dài cĩ thể lên đến 50 mm; nhĩm vi khuẩn hình sợi cĩ chiều dài khoảng 100 mm hoặc dài hơn. Các vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng bậc nhất trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bơng cặn dễ lắng,làm sạch nước thải trong vịng tuần hồn vật chất. Vi khuẩn được chia thành 2 nhĩm chính: Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nĩ là thức ăn đã được vật chủ đồng hố, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ khơng hoạt động làm thức ăn, nĩ phân huỷ cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ cĩ cấu tạo đơn giản và cặn vơ cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đĩng vai trị cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu khơng cĩ hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân huỷ sẽ khơng xảy ra. Cĩ rất nhiều lồi vi khuẩn hoại sinh, mỗi lồi đĩng một vai trị rất đặc biệt trong mỗi cơng đoạn của quá trình phân huỷ hồn tồn cặn hữu cơ cĩ trong nước thải và mỗi lồi sẽ tự chết khi hồn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đĩ. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần cĩ thức ăn và oxi để đồng hố. Một số lồi trong số vi khuẩn này chỉ cĩ thể hơ hấp bằng oxi hồ tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, cịn quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxi hĩa. Một số lồi khác trong số các vi khuẩn này khơng thể tồn tại được khi cĩ oxi hồ tan trong nước, những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân huỷ gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất cĩ mùi khĩ chịu. Cịn một số lồi vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, nếu thiếu hồn tồn oxi hồ tan, chúng cĩ thể tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ nghi. Ngược lại cũng tồn tại một lồi vi khuẩn kỵ khí, khi cĩ oxi hồ tan trong nước chúng khơng bị chết mà lại làm quen được với mơi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí tuỳ nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường cĩ sự thay đổi của oxi hồ tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân huỷ chất hữu cơ của nước thải trong các cơng trình xử lý. Nhiệt độ nước thải cĩ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động cĩ hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số lồi vi khuẩn trong xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 - 60oC. Khi duy trì các điều kiện mơi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong cơng trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên khơng phải tất cả các loại vi khuẩn đều cĩ lợi cho quá trình sinh hố, một vài trong số chúng là lồi gây hại, trong đĩ cĩ hai lồi vi khuẩn tiêu biểu cĩ hại cho hệ thống. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (Filamentous) là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở cho quá trình lắng, làm cho lớp bùn đáy khơng cĩ hiệu quả, sinh khối sẽ khơng gắn kết lại và theo các dịng chảy sạch đã qua xử lý ra ngồi. Một dạng vi khuẩn cĩ hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hố, phát sinh từ các hệ thống thơng giĩ để tuần hồn oxi trong hệ thống. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm 2 loại như sau: - Vi khuẩn dị dưỡng (heterotroph): sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng và phát triển tế bào. - Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): cĩ khả năng oxi hố chất vơ cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhĩm này cĩ vi khuẩn nitrate hố, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh… 3.2.2 Virus và thực khuẩn thể Virus là những sinh vật cực nhỏ (kích thước khoảng 20 ÷ 100 nm). Chúng khơng cĩ cấu tạo tế bào, thành phần hố học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và acid nucleic, virus chỉ chứa ADN hoặc ARN, khơng thể sống độc lập mà phải sống kí sinh vào tế bào chủ. Mỗi virus cĩ một loại tế bào chủ tương ứng, virus bám vào tế bào chủ rồi xâm nhập vào nội bào, phần acid nucleic được giải phĩng ra khỏi vỏ bọc. Virus cĩ nhiều dạng: virus của động vật cĩ hình quả cầu, hình trứng (virus đậu gà), hình hộp vuơng hay hình chữ nhật (đậu bị), hay hình gậy…virus thực vật cĩ hình quả cầu hay hình que dài (virus đốm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virus trong nước thải sẽ ảnh hưởng khơng tốt cho quá trình xử lý. Thực khuẩn thể là virus của vi khuẩn, cĩ khả năng làm tan các tế bào vi khuẩn rất nhanh. Thực khuẩn cĩ hình dáng giống quả chuỳ, phần đuơi cán cĩ sợi mĩc để bám vào vỏ của tế bào vi khuẩn, rồi làm tan một lỗ nhỏ trên vỏ tế bào, phần acid nucleic bên trong của virus sẽ nhanh chĩng xâm nhập vào nội bào. Trong nước thải thường cĩ những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, kèm theo cĩ cả những thực khuẩn thể tương ứng với từng loại vi khuẩn đĩ. Do đĩ khi thấy cĩ thực khuẩn thể trong nước thải người ta cĩ thể kết luận được sự cĩ mặt của vi khuẩn tương ứng. 3.2.3 Vi nấm (Fungi) Nấm cĩ cấu tạo cơ thể đa bào, hiếu khí, và thường thuộc loại cơ thể sinh vật dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm cĩ hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm cĩ thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH thấp. Khơng cĩ sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong mơi trường. Các giống nấm thường gặp trong nước thải là Saplogeria và Leptomus. 3.2.3.1 Nấm men Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, chúng cĩ hình dạng khơng ổn định, thường là hình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài. Tế bào nấm men thường cĩ kích thước lớn gấp 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn, kích thước trung bình của nấm men là dài 9 - 10μm và rộng 2 - 7μm. Nấm men phân huỷ các chất hữu cơ hạn chế hơn nhưng chúng cĩ thể lên men được một số đường thành rượu, acid hữu cơ, glycerin trong điều kiện kị khí và phát triển tăng sinh khối trong điều kiện kị khí. 3.2.3.2 Nấm mốc Nấm mốc được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng khơng phải là thực vật cũng khơng phải là động vật nên chúng hồn tồn khác với vi khuẩn và nấm men. Nấm mốc cĩ khả năng phân huỷ được các chất hữu cơ khĩ phân huỷ như xenlulozơ, hemixenlulozơ và lingnin. Nĩi chung vi sinh dạng nấm cĩ kích thước lớn hơn vi khuẩn và khơng cĩ vai trị trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm cĩ thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như khơng cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong mơi trường bình thường, vì vậy khơng tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nĩi cách khác khi khơng cung cấp đủ oxi và nitơ hoặc khi pH quá thấp, nấm cĩ thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. 3.2.4 Tảo (Algae) ánh sáng Tảo là nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang hợp, cĩ diệp lục và cĩ khả năng sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vơ cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Qúa trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau: CO2 + PO4-3 + NH4+ tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2 Trong nước giàu nguồn N và P, đặc biệt là P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, Nguồn CO2 cĩ thể do vi sinh vật hoạt động trong nước, phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành cung cấp cho tảo hoặc từ khơng khí. Tảo cĩ tầm quan trọng trong quá trình xử lý sinh học bởi 2 lý do: Trong thuỷ vực chúng cĩ khả năng tạo ra oxy qua quá trình quang hợp là sự sống của hệ sinh thái mơi trường nước. Đối với ao hiếu khí hoặc ao oxy hố kỵ khí khơng bắt buộc hoạt động hiệu quả thì tảo là cần thiết cho việc cung cấp oxy cho vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí. Mặc dù tảo khơng phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng cĩ thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước cĩ màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic…làm cho nước cĩ màu xanh lam. Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước cĩ màu nâu. Chrisophit làm cho nước cĩ màu vàng nhạt. Tảo phát triển cịn làm cho nước cĩ nhiều mùi khĩ chịu như mùi cỏ, mùi thối… 3.2.5 Nguyên sinh động vật (Protozoa) Bên cạnh nhĩm vi khuẩn thì nhĩm nguyên sinh động vật cũng gĩp phần quan trọng trong các quá trình xử lý nước thải. Chúng thuộc vào nhĩm động vật sống trơi nổi trong nước,cĩ cấu tạo cơ thể đa bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí khơng bắt buộc chỉ cĩ một số lồi sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate và Ciliate. Các nguyên sinh động vật này cĩ thể được coi như là các chất chỉ thị của nước thải, vì sự cĩ mặt của chúng cĩ nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất cĩ trong nước thải. Các nguyên sinh động vật cịn ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đĩ, nĩ đĩng vai trị quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các hệ thống xử lý sinh học và tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh trong nước thải. 3.3 QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng của quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lí diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “ phát triển”. Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển. Trong nước thải và quá trình xử lí nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần cĩ trong mơi trường các chất hữu cơ cĩ thể đồng hố làm cơ chất dinh dưỡng: ở nước thải được biểu thị là BOD, COD và các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho, các yếu tố khống khác như K, Mg, Ca…và các yếu tố vi lượng như Fe, Cu, Zn, Mn…Các chất khống và vi lượng này thường cĩ đủ trong nước thải sinh hoạt. Các nguồn C, N, P dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng của vi khuẩn thường theo tỉ lệ BOD: N: P = 100: 5: 1 là điều kiện thuận lợi nhất cho vi khuẩn phát triển và tăng sinh khối bình thường. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đơi tế bào. Thời gian sinh sản trong thế hệ của vi khuẩn thường là 20 phút đến vài ngày. Chúng sinh sản cho đến khi điều kiện mơi trường thay đổi, các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngồi giá trị tối ưu thì sinh sản sẽ bị ngừng lại. Quá trình sinh trưởng của tế bào chia thành 5 giai đoạn: Giai đoạn làm quen (pha tiềm phát). Giai đoạn sinh sản theo cách phân đơi tế bào theo cấp số nhân (pha phát triển theo logarit pha số mũ). Giai đoạn chậm dần (pha sinh trưởng chậm dần). Giai đoạn ổn định (pha ổn định). Giai đoạn suy giảm (pha suy vong).Thời gian Giá trị log của số lượng vi khuẩn Giai đoạn phát triển chậm Giai đoạn tăng trưởng theo quy luật logarit Giai đoạn ổn định Giai đoạn chết theo logarit Hình 3.1: Đường cong biểu diễn các giai đoạn phát triển của vi khuẩn về số lượng theo thang logarit. 3.3.1 Giai đoạn làm quen Vi khuẩn vào mơi trường chưa sinh sản ngay mà cịn cần một thời gian làm quen với mơi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất. X = X0 X: mật độ tế bào ở thời điểm t. X0: mật độ tế bào ở thời gian t = 0. Tốc độ sinh trưởng = 0 → 3.3.2 Giai đoạn phát triển theo số mũ. Các tế bào vi khuẩn sinh sản theo cách phân đơi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất khơng hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là khơng đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đơi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đĩ cĩ được đường cong hàm số mũ). Ta cĩ phương trình sau: Với μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại hoặc log Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1 → tg = 3.3.3 Giai đoạn chậm dần Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong mơi trường đã cạn gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp, phát triển chậm dần là do trong mơi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hố chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng lại giảm. 3.3.4 Giai đoạn ổn định. X (mật độ tế bào) đạt tới trị số cực đại Xmax. Sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn cịn hoạt động chuyển hố nào đĩ. 3.3.5 Giai đoạn suy vong. Ở giai đoạn này các cất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỉ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân huỷ nội sinh hoặc hơ hấp nội bào và bị tự phân. Các giai đoạn và các phương trình biểu diễn sự phát triển từng giai đoạn áp dụng cho cả mơi trường hiếu khí và kị khí. Gía trị của các thơng số phụ thuộc vào các lồi vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của mơi trường vi sinh vật sống. CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.1 MƠ TẢ QUÁ TRÌNH Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nơng sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuơi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhĩm chất chủ yếu: protein 40 – 50%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acid amin. Hydratcacbon bao gồm các chất đường, bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật, cịn xenlulozơ bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ cũng chậm hơn rất nhiều. Chất béo ít tan bị vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải cĩ khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ khơng bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, cĩ trong nước thải vào khoảng 105 – 109 tế bào/ml. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ trước hết chúng phải cĩ khả năng tiết ra các enzyme tương ứng. Muốn thuỷ phân protein, các vi sinh vật phải tạo ra enzyme proteaza, thuỷ phân tinh bột là các enzyme thuộc họ amilaza, thuỷ phân chất béo là enzyme lipaza…Sản phẩm thuỷ phân là các chất đường đơn, các acid amin, các acid béo… và năng lượng. Đĩ là các sản phẩm cĩ khối lượng phân tử thấp cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Qúa trình này gọi là quá trình phân huỷ ngoại bào hay quá trình thuỷ phân. Các chất này được tiếp tục phân huỷ hoặc chuyển hố thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào thường gọi là quá trình nội bào, đĩ thực chất là các quá trình oxi hố – khử sinh học (quá trình hơ hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. 4.2 HỐ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phĩng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hố) cĩ thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào): Quá trình này xảy ra bên ngồi tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn để cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất. - Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau: + Nếu cĩ nhiều oxy: (C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu cĩ ít oxy: n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đĩ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin. Protein Enzyme phân giải Protein ngoại bào Polypeptide Olygopeptid Peptidaza Acid amin - Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phĩng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phĩng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo. CH2OOCR1 CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OH Glyxerin Acid béo Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ cĩ thể biểu diễn ngắn gọn như sau: Các chất hữu cơ trong nước thải Lipid Hydratcacbon Protein Acid béo Đường đơn Acid amin Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hố Quá trình oxi hố – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hố – khử này gồm cĩ 2 cấu tử: nhĩm chính và nhĩm phụ. Nhĩm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ cĩ oxy và nước mà các phản ứng oxy hố khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hố – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí cĩ chuỗi hơ hấp nội bào. Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hố của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β – oxi hố acid béo, do sự oxy hố của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hố hiếu khí glucose. Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hố hồn tồn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình). Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hố học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hố qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2. Các chất hữu cơ trong nước thải Hydratcacbon Lipid Protein Đường đơn Acid béo Amino acid Acetyl CoA Chu trình Krebs CO2 H2O Năng lượng Pyruvate Hình 4.2 Tiến trình oxy hố sinh học của vi khuẩn 4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.3.1 Các nhĩm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân Các nhĩm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và cĩ khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhĩm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất. Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật cĩ thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hồ tan, cĩ cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này cĩ thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đĩ, một số chất nền phức tạp khác là những chất khơng tan được hoặc ít tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới cĩ thể được vi sinh vật phân giải. Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, cĩ khả năng phân huỷ các chất ít tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân cĩ khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất cĩ phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài. Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các cơng trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hồ tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ cĩ thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hồ tan mà thơi. Thứ hai, trong bất kỳ cơng trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số lượng nhất định các vi khuẩn bị chết và giai đoạn thuỷ phân sẽ hồ tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đĩ, do vậy tránh được sự tích luỹ các tế bào (chết) này. Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau: Tính đa dạng về lồi của các vi khuẩn và enzyme tương ứng. Số lượng enzyme tiết ra cĩ đủ hay khơng. Các điều kiện vận hành cĩ nằm trong khả năng cho phép hay khơng. Cấu trúc phân tử của chất nền. Các chất nền cĩ độ hồ tan cao và cấu trúc đơn giản được thuỷ phân trước. Ví dụ, đường là chất được phân giải trước vì các điều kiện sau: Tất cả các ezyme xúc tác cần thiết đã cĩ sẵn trong mơi trường. Tốc độ phản ứng sinh hố nhanh. Điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn. Các chất như kitin, chất béo được thuỷ phân chậm hơn. Vi sinh vật thuỷ phân tinh bột Trong nước thải cĩ rất nhiều nhĩm vi sinh vật cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột. Một số vi sinh vật cĩ khả năng tiết ra mơi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amilaza như một số loại nấm thuộc chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus, Actinomyces… Trong nhĩm vi khuẩn cĩ một số lồi thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Azotobacter… Xạ khuẩn cũng cĩ một số chi cĩ khả năng phân huỷ tinh bột. Đa số các vi sinh vật khơng cĩ khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ cĩ thể tiết ra mơi trường một hoặc một vài men trong hệ đĩ. Ví dụ như các lồi Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum… chỉ cĩ khả năng tiết ra mơi trường một loại enzyme α – amilaza. Các lồi Aspegillus oryzae, Clostridium acetobutilicum… chỉ tiết ra mơi trường β – amilaza. Một số lồi khác chỉ cĩ khả năng tiết ra mơi trường enzyme glucoamilaza. Các nhĩm này liên kết với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. Giống Pseudomonas là những trực khuẩn gram âm, chuyển động do cĩ tiên mao mọc ở một đầu. Trực khuẩn cĩ thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, khơng tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí. Nhiều lồi của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thích là 20 – 25oC. Tất cả Pseudomonas đều cĩ hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo màng nhầy, pH mơi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5 – 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ. Vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân huỷ được nhiều dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột. Là trực khuẩn rất phổ biến trong tự nhiên, hay gặp nhất là Bacillus subtilis (trực khuẩn khoai tây) và Bacillus mesentericus (trực khuẩn cỏ khơ). Chúng cĩ hình que, gram dương, sinh bào tử đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi, là giống sinh bào tử, sống hiếu khí hoặc kỵ khí tuỳ tiện, thường sinh enzyme proteaza và amilaza. Hai lồi Bacillus này tăng trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 50oC cĩ nhiệt độ sinh trưởng thích hợp là 35 – 45oC. Ở mơi trường cĩ pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển. Vi sinh vật thuỷ phân protein Muốn phân giải protein, cũng giống như các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các men phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hố protein thành các hợp chất cĩ phần tử nhỏ hơn (các polypeptide, olygopeptid). Các chất này tiếp tục được phân huỷ thành acid amin nhờ các men peptidaza ngoại bào. Cĩ rất nhiều lồi vi sinh vật tham gia phân huỷ protein, trong đĩ đáng chú ý là các lồi sau: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B. subtilis, B.cereus, B. megaterium, Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Alcaligenes, Flavobacterium … Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae, A. flavus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium… Vi sinh vật thuỷ phân lipid Lipid (este phức tạp của glycerin và acid béo) được nhiều lồi vi khuẩn sử dụng. So với các cơ chất khác thì đây là cơ chất được thuỷ phân với tốc độ chậm. Bước đầu tiên để phân huỷ lipid là phân giải chúng thành glycerin và các acid béo được xúc tác nhờ enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào. Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các lồi sau: Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, Micrococus… Vibrio là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện, phần lớn thuộc gram âm, hình dạng thuộc phảy khuẩn, cĩ khả năng di động nhanh và khơng tạo bào tử. Serratina tế bào cĩ hình cầu phân cách theo 3 mặt phẳng trực giao với nhau tạo thành những khối từ 8 - 16 tế bào (hoặc nhiều hơn nữa), khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử. 4.3.2 Các nhĩm vi sinh vật oxy hố cơ chất Một số vi sinh vật vừa đảm nhiệm chức năng thuỷ phân cơ chất đồng thời oxy hố cơ chất. Trong khi đĩ, một số nhĩm vi sinh vật khác chỉ cĩ thể oxy hố cơ chất mà thơi. Vi sinh vật oxy hố đường đơn Các nhĩm vi sinh vật hiếu khí cĩ khả năng phân huỷ triệt để các loại đường đơn thành CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Các lồi vi khuẩn điển hình cĩ khả năng oxy hố các loại đường đơn là Sphaerotilus natans, S. discophorous, Azotobacter, Beijerinckia, và một số chủng Bacillus như Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, Bacillus mycoides… - Sphaerotilus natans là vi khuẩn Gram âm, khơng sinh bào tử, hình que, kích thước khoảng 4 – 10 μm, bên ngồi cĩ vỏ bọc dày. Vỏ là phức protein – polysaccharide – lipid được bao bọc xung quanh tế bào được cấu tạo từ polysaccharide đơn giản hơn với thành phần chất dinh dưỡng khơng ổn định. - Azotobacter cĩ tế bào từ hình que tới hình cầu, khi cịn non tế bào cĩ hình que với kích thước khoảng 2 – 7 μm, di động nhờ tiên mao mọc khắp cơ thể, khi già tế bào mất khả năng di động, kích thước thu nhỏ lại như hình trịn, là lồi ưa mặn. Chúng cĩ khả năng vừa thuỷ phân tinh bột đồng thời oxy hố các loại đường đơn. Vi sinh vật oxy hố amino acid Quá trình phân giải amino acid chỉ cung cấp một phần nhỏ năng lượng. Để oxy hố các amino acid trước hết phải làm mất nhĩm NH2, sản phẩm của quá trình oxy hố này là CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Do đĩ, về tổng thể quá trình phân giải amino acid khơng khác quá trình phân giải glucose và acid béo, chỉ khác là amino acid cĩ chứa nhĩm NH2. Sau quá trình oxy hố các amino acid, NH2 bị khử thành NH3 hoặc NH4+ nhờ nhĩm vi khuẩn amin hố. Sau đĩ, NH4+ bị oxy hố thành NO2- nhờ nhĩm vi khuẩn nitrit hố. Cuối cùng, NO2- tiếp tục bị oxy hĩ thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrate hố. Các lồi vi sinh vật cĩ khả năng oxy hố các amino acid điển hình như: Leuconostoc citrovorum, Staphylococus, Lactobacterium casei, Streptococus fuecalis, Arozobacter, Beijerinckia, Bacillus faecalis, Proteus zenkerii … Beijerinckia là lồi vi khuẩn hiếu khí, tế bào cĩ hình dạng khơng ổn định, thuộc vi khuẩn Gram âm,khơng sinh bào tử, là lồi cĩ khả năng chịu được trong mơi trường cĩ độ chua cao. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân tinh bột và oxy hố các acid amin cao. Streptococcus là vi khuẩn hiếu khí, tế bào cĩ dạng hình cầu, chúng phân cách theo một mặt phẳng xác định và dính với nhau thành từng chuỗi một dài, thuộc vi khuẩn Gram dương. Khơng cĩ khả năng di động và khơng sinh bào tử. Chúng cĩ khả năng thuỷ phân protein, đồng thời cĩ khả năng oxy hố các amino acid. Các vi khuẩn nitrate hố điển hình là các lồi: - Nhĩm vi khuẩn nitrit hố bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus và Nitrosospira. Chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, khơng cĩ khả năng sống trên mơi trường thạch nên phải dùng silicagel khi phân lập. - Nhĩm vi khuẩn nitrate hố bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrrobacter, Nitrospira và Nitrococcus. Ngồi ra, cịn cĩ một số lồi vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Cyronebacterium, Streptomyces… Vi sinh vật oxy hố các acid béo Việc phân huỷ các acid béo được thực hiện nhờ quá trình oxy hố. Acid béo dưới sự xúc tác của enzyme axyl – CoA – cintetaza, CoA và ATP sẽ được hoạt hố và tạo thành Acyl – CoA chứa các liên kết cao năng. Sau đĩ chất trung gian này được tiếp tục phân giải qua các bước oxy hố,cứ qua một bước oxy hố hồn tồn chuỗi phân tử của acid béo lại mất đi 2 cacbon, cuối cùng tồn bộ chuỗi cacbon bị chuyển hố thành acetyl – CoA. Chất này tiếp tục được oxy hố thơng qua chu trình Krebs để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Nhiều loại nấm mốc thuộc các chi Penicillium và Aspergillus và các lồi nấm Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducturm cĩ thể oxy hố acid béo một cách triệt để tạo thành CO2 và H2O. 4.3.3 Một số vi sinh vật chỉ thị trong các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí Trùng biến hình (trùng chân giả) Đặc điểm: Hình dạng rất phong phú, kích thước từ 10 - 200μm và di chuyển bằng chân giả. Một số lồi cĩ vỏ cứng, trên cĩ các vân như hoa văn nên người ta gọi là trùng biến hình cĩ vỏ, ví dụ như Arcella thường gặp trong bùn hoạt tính. Vai trị: Trùng biến hình phát triển mạnh dựa trên một số loại vật chất hữu cơ đặc thù và cĩ khả năng chịu được những mơi trường cĩ oxi hồ tan thấp. Do đĩ một sự nở rộ các lồi trùng biến hình cĩ thể chỉ thị trong nước thải cĩ một lượng lớn các vật chất hữu cơ dạng tinh bột (như nước thải giấy, bột giấy), men (nước thải bia) và chất gây thối (nước thải đơ thị). Trùng roi Đặc điểm: Cĩ kích thước nhỏ từ 5 - 20μm, cĩ hình oval hoặc dạng thon dài, di chuyển và cĩ thể di chuyển rất nhanh nhờ một hoặc nhiều roi dài, khi di chuyển thường rung cơ thể. Vai trị: đã quan sát thấy nhiều lồi trùng roi trong hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí ưa sử dụng các chất hữu cơ hồ tan, do đĩ sự hiện diện của chúng cĩ thể chỉ thị cho nồng độ cao của BOD trong nước. Nhiều lồi trong số chúng cĩ thể hiện diện ở điều kiện oxy hồ tan thấp và tải trọng hữu cơ cao. Trùng tiên mao (trùng cỏ, trích trùng, mao trùng). + Nhĩm bơi tự do và nhĩm bị: Đặc điểm: cĩ dạng hình oval, kích thước từ 20 - 400μm, chuyển động rất linh hoạt nhờ các hàng tiên mao trơng như lơng tơ. Đối với nhĩm bị, các tiên mao của chúng gắn vào một mặt của cơ thể giúp chúng cĩ thể bị trên bề mặt của các bơng bùn hoạt tính. Vai trị: hai nhĩm này thường được tìm thấy trong những điều kiện bơng bùn hình thành tốt và nĩi chung là cĩ thể chỉ thị cho hoạt động của bùn hoạt tính đạt hiệu quả tốt. Trùng cỏ rất nhạy cảm và sự cĩ mặt hay vắng mặt của chúng cĩ thể chỉ thị cho các chất độc hại trong mơi trường. + Nhĩm cĩ cuốn: Đặc điểm: chúng xuất hiện dưới những điều kiện gần với các nhĩm bơi tự do. Thường được nhìn thấy thân cắm vào bơng bùn, thân thẳng hoặc co rút để bắt thức ăn, đầu cĩ hình chuơng hoặc hình hoa tulip, miệng há to ra và vươn ra mơi trường bắt mồi, trên miệng của chúng cũng cĩ một hàng tiên mao giúp chúng bắt thức ăn. Một số lồi cĩ cuống chỉ cĩ một chuơng trên một thân như Vorticella spp trong khi các lồi khác cĩ thể cĩ nhiều cá thể trên cùng một thân như Epistylis spp và Opercularia spp. Vai trị: trùng cỏ cĩ cuống thường xuất hiện ở tải trọng thấp (thời gian lưu bùn cao). Mỗi lồi đơn lẻ cĩ thể chỉ thị cho một khoảng thời gian lưu bùn khác nhau. Các dạng đám chuơng thường xuất hiện ở thời gian lưu bùn cao. Hơn thế nữa trùng tiên mao cĩ cuống đĩng một vai trị quan trọng trong việc loại bỏ Escheria coli từ nước thải. Vorticella là trùng cĩ cuống, cĩ ít nhất 12 lồi được tìm thấy trong hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí. Những vi sinh vật này cĩ hình oval hoặc trịn, cĩ cuống, cĩ thể co rút lại, một đầu cĩ vịm lấy thức ăn và một hốc nhỏ lấy nước gần cuối lỗ lấy thức ăn. Nếu điều kiện quá trình xử lý xấu như DO thấp hay cĩ độc chất, Vorticella sẽ bỏ cuống của chúng. Do đĩ một cụm khơng cĩ cuống sẽ chỉ thị trạng thái nghèo cơ chất của hệ thống bùn hoạt tính. Một số lồi như V. microtome chỉ khối lượng chất hữu cơ cao và chất lượng dịng nước giảm. Paramecium là trùng cuốn bơi tự do thường thấy trong bùn hoạt tính. Paramecium loại bỏ vi khuẩn khỏi nước thải, lồi này thường cĩ trong điều kiện mơi trường với chất lượng dịng nước như sau: BOD : 0 – 30mg/l. NH3: 0 – 20 mg/l P. aurelia đượctìm thấy chỉ khi nước thải cĩ BOD dưới 10 mg/l. P.trichium được tìm thấy khoảng 40% khi BOD dưới 10 mg/l, 30% khi BOD khoảng 10 - 20 mg/l, 20% khi BOD khoảng 21 – 30%, 10% khi BOD > 30 mg/l. Vì thế P. aurelia chỉ thị chất lượng dịng nước tốt cịn P. trichium khơng phải là chất chỉ thị tốt cho dịng chảy vì nĩ được tìm thấy trong khoảng BOD rộng. Trùng bánh xe Đặc điểm: cĩ kích thước lớn hơn các lồi trên khoảng 50 - 500μm và cĩ hình dạng rất phong phú. Ngồi ra, chúng cịn cĩ các loại cấu trúc phức tạp hơn nguyên sinh động vật, hầu hết chúng cĩ khả năng di động và thường bám vào các bơng bùn hoạt tính nhờ chân co rút. Vai trị: trùng bánh xe cĩ mặt ở nhiều thời gian lưu bùn khác nhau, một số lồi cĩ thể chỉ thị cho thời gian lưu bùn cao. Euchlanis là lồi bơi được, chúng sử dụng chân và tiên mao để di động, nĩi chung Euchlanis được tìm thấy trong bùn hoạt tính khi chất lượng dịng nước tốt, nĩ địi hỏi cung cấp DO thường xuyên. Các lồi khơng xương sống cấp cao hơn Đặc điểm: nhĩm này gồm bộ giun trịn, các lồi đi chậm như Macrobiotus, lớp chân bụng như Nails sp và giun đốt Aeleosoma sp. Lồi Aeleosoma sp thường được nhìn thấy trong bùn hoạt tính với hình dạng khổng lồ khi nhìn dưới kính hiển vi và cháng thường gây ra các vệt màu đỏ trong bùn hoạt tính do các chấm đỏ cam trên cơ thể của chúng. Vai trị: do tốc độ sinh trưởng chậm, giun trịn thường được nhìn thấy ờ thời gian lưu bùn dài hơn. Các lồi cịn lại thường chỉ xuất hiện ở các hệ thống bùn hoạt tính đang nitrate hố, cĩ thể do chúng dễ bị tổn thương bởi độ độc của ammoniac. 4.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.4.1 Lượng Oxy hoà tan trong nước Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho các cơng trình phân huỷ vi sinh hiếu khí có khả năng oxy hoá các chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy, mà chủ yếu là oxi hoà tan trong môi trường lỏng, một cách liên tục, đáp ứng cho nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Lượng Oxy được coi là đủ khi ra khỏi bể lắng với nồng độ là 2mg/l Các giải pháp để đáp ứng nhu cầu oxy hoà tan : - Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng. Song biệân pháp này không hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu oxy. - Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén. - Kết hợp nén khí với khuấy đảo. Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật Thành phần chủ yếu trong nước thải là nguồn Cacbon (thể hiện bằng BOD), là một chất hữu cơ dễ phân huỷbởi sinh vật. Ngoài BOD, cần chú ý tới hai thành phần khác : nguồn nitơ và và nguồn phospho. Ngoài ra, vi sinh vật phát triển còn cần đến một loạt các chất khoáng khác, như Mg, K, Ca, Mn, Fe, Mn, Co,v.v… Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kiềm hãm và ức chế quá trình oxi hoá các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn. Nói chung, thiếu hai nguồn dinh dưỡng N và P lâu dài sẽ ảnh hưởng tới nhiều cấu tạo tế bào mới, giảm mức độ sinh trưởng, ảnh hưởng không tốt tới di truyền và các thế hệ sau của sinh vật. Một tỉ lệ dinh dưỡng được đề xuất cho xử lí nước thải bằng phương pháp hiếu khí là: BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Tỉ số này thường chỉ đúng cho 3 ngày đầu. Trong giai đoạn này vi sinh vật trong bể phân huỷ vi sinh hiếu khí phát triển mạnh và bùn hoạt tính cũng được tạo thành nhiều nhất. Nếu quá trình xử lí kéo dài thì tỉ lệ này cần 200 : 5 : 1. Để cân đối dinh dưỡng có thể dùng các muối amon và phosphat bổ sung vào nước thải để tăng nguồn N và P. Còn trong trường hợp dư thừa N và P, phải khử các thành phần này bằng các biện pháp đặc biệt hoặc xử lí bằng ao hồ ổn định với việc nuôi trồng bèo, rau muống và các thực vật nổi khác. 4.4.3 Nồng độ cho phép của chất bẩn hữu cơ có trong nước thải Các vi sinh vật đều có nồng độ cơ chất giới hạn hoặc cho phép, nếu vượt quá mức sẽ ức chế đến sinh lí và sinh hoá của tế bào sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình trao đổi chất, đến việc hình thành enzyme. Nói chung, các loại nước thải có thể xử lí bằng hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí có lượng BOD vào khoảng 500mg/l, còn trường hợp cao hơn (không quá 1000mg/l) phải xử lí bằng hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí khuấy trộn hoàn chỉnh. Nếu BOD cao quá mức ta phải pha loãng bằng nước được quy ước là sạch hoặc nước đã qua xử lí có lượng BOD ở dòng ra thấp. 4.4.4 Các chất có độc tính ở trong nước thải ức chế đời sống vi sinh vật Nồng độ muối vô cơ trong nước thải không quá 10g/l. Nếu là muối vô cơ thông thường, có thể pha loãng nước thải và xử lí bằng phương pháp bùn hoạt tính, còn nếu là các chất độc như kim loại nặng các chất độc hữu cơ phải tiến hành phân tích cẩn thận và có biện pháp xử lí riêng biệt , sau đó mới có thể xử lí bằng phương pháp sinh học. 4.4.5 pH của nước thải pH ảnh hưởng nhiều đến các quá trình hoá sinh của vi sinh vật, quá trình tạo bùn và lắng. Nói chung, pH thích hợp cho xử lí nước thải ở bể vi sinh hiếu khí là 6.5-8.5. Trong thời gian cuối, nước thải trong bể vi sinh hiếu khí có pH chuyển sang kiềm, có thể các hợp chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon. 4.4.6 Nhiệt độ Hoạt động sống của vi khuẩn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ mơi trường, khi nhiệt độ tăng thì hoạt động của vi khuẩn tăng lên, khi nhiệt độ giảm thì hoạt động của chúng cũng giảm xuống. Hầu hết các vi sinh vật trong nước là các thể ưa ấm. Chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 40oC, tối thiểu là 5oC. Vì vậy, nhiệt độ xử lí nước thải chỉ trong khoảng 6 – 37oC, tốt nhất là 25 – 37oC. Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến chuyển hoá của vi sinh vật mà còn ảnh hưởng nhiều tới quá trình hoà tan oxy vào nước, cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính. 4.4.7 Nồng độ các chất lơ lửng ở dạng huyền phù Nếu nồng độ các chất lơ lửng không quá 100mg/l thì xử lí bằng bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lí bằng bể vi sinh hiếu khí sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất. Tuy nhiên, với các bể vi sinh hiếu khí tích cực, nồng độ các chất rắn lơ lửng có thể là cao hơn. Song, lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lí. Vì vậy đối với những nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng quá cao cần phải qua lắng 1 trong giai đoạn xử lí sơ bộ một cách đầy đủ để có thể loại bỏ vẩy cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra cĩ hiệu quả thì phải tạo được các điều kiện mơi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian… tốt nhất cho hệ sinh vật. Khi các điều kiện trên được đảm bảo thì quá trình xử lý diễn ra như sau: Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ hay trong các bể cĩ dịng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hồn chỉnh và liên tục. Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh cĩ thể biểu diễn bằng cơng thức sau: rt = μX (4.1) Trong đĩ: rt: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (khối lượng/đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian, g/m3.s) μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/thời gian = 1/s) X: nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) 4.5.1 Chất nền – Giới hạn của tăng trưởng Trong trường hợp xử lý nước thải theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ cĩ với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp xử lý trong bể cĩ dịng cấp chất nền và chất dinh dưỡng liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng cĩ thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949) (4.2) Trong đĩ: μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l) Thay giá trị μ ở phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta cĩ: (4.3) 4.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền Trong cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ và xử lý trong bể cĩ dịng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hố thành chất vơ cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên cĩ thể thiết lập quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau: rt = -Yrd (4.4) Trong đĩ: rt: tốc độ tăng trưởng của tế bào (g/m3.s) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit) rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) Từ phương trình (4.4) và (4.3) ta rút ra được: (4.5) () 4.5.3 Ảnh hưởng của hơ hấp nội bào Trong các cơng trình xử lý nước thải, các tế bào sinh vật ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Khi tính tốn tốc độ tăng trưởng của tế bào phải tính tốn tổ hợp các hiện tượng này, để tính tốn giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỉ lệ với nồng độ vi sinh vật cĩ trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào. Qúa trình hơ hấp nội bào cĩ thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau: Vi khuẩn Tế bào C5H7O2N + 5O2 5 CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (4.6) rd = -KdX (4.7) Trong đĩ: Kd: hệ số phân huỷ nội bào (1/s) X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3) Kết hợp với quá trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế bào là: rt’ = (4.8) Hay rt’ = Yrd – KdX (4.9) Trong đĩ: Rt’: tốc độ tăng gtrưởng thực của vi khuẩn (1/s) Tốc độ tăng trưởng riêng thực là: μ’ = (4.10) Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) sẽ là: (4.11) 4.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của nước cĩ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải, ngồi ra cịn ảnh hưởng quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng các bơng cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng cơng thức: rT = r20θ(T – 20) (4.12) Trong đĩ: rt: tốc độ phản ứng ở ToC r20: tốc độ phản ứng ở 20oC θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ T: nhiệt độ nước đo bằng oC Trong quá trình xử lý sinh học thì θ = 1,02 ÷1,09, thường lấy θ = 1,04 CÁC DẠNG CƠNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ 4.6.1 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên 4.6.1.1 Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính tốn để đạt được một mức xử lý nào đĩ thơng qua quá trình lý, hố và sinh học tự nhiên của hệ đất – nước – thực vật của hệ thống. Việc xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và bãi lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lượng oxy hóa càng ít và quá trình oxy hóa các chất hữu cơ giảm xuống dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrate. Đã xác định được quá trình oxy hóa nước thải chỉ diễn ra ở lớp đất mặt sâu tới 1.5m. Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có mực nước ngầm thấp hơn 1.5m so với mặt đất. Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Tùy vào từng chức năng mà cánh đồng được sử dụng cho phù hợp. Các loại nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới và bãi lọc cần phải được xử lý sơ bộ: qua song chắn rác để loại bỏ các vật khô cứng, qua bể lắng cát loại bỏ một phần các hợp chất rắn và chất kim loại nặng, loại bỏ dầu mỡ và một phần các chất huyền phù tránh cho các lớp đất mặt bị bịt kín làm giảm sự thoáng khí và ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật. Trong phương pháp này có gặp rất nhiều khó khăn khi xây dựng như: diện tích tưới cố định phải lớn và nhu cầu tưới đều đặn trong năm. Sau khi lắng ở bể lắng đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng, ở đĩ diễn ra quá trình oxy hố sinh hố các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở đây, quá trình oxy hố sinh hố chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại sinh vật, vi sinh vật, chủ yếu là các vi sinh vật đất. Những quần thể sinh vật đất cũng bao gồm: vi khuẩn, nấm, vi tảo và các lồi nguyên sinh động vật. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. - Vi khuẩn: trong cánh đồng lọc cĩ chứa 2 loại vi khuẩn: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào, lượng vi khuẩn từ nước thải đưa vào bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Hai nhĩm vi khuẩn này đồng thời cĩ quan hệ đối kháng và cộng sinh. Cấu trúc đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định đến sự hình thành uần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải. Những quá trình oxy hố sinh hố diễn ra chủ yếu ở lớp đất trên cùng với chiều dày khoảng 40 cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “màng sinh vật”, chúng thực hiện quá trình oxy hố sinh hố. Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn, mỗi mét vuơng diện tích đất cĩ tổng diện tích hấp phụ là 5 ha. Số vi khuẩn ở màng sinh vật là rất lớn: với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40 cm thì tổng diện tích hấp phụ của tế bào vi khuẩn là 48.000 m2. Vì vậy tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1 cm/giờ. Nấm: đa số là loại hiếu khí, vì nấm khơng cĩ khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, xenluloza, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrate, đơi khi cả peptone, acid amin Tảo: chủ yếu là tảo lam và tảo lục. Lượng tảo cũng rất nhiều khoảng 100.000 – 3.000.000/cm3 đất. Vai trị của tảo là tạo ra oxi nên sự phát triển của tảo trong đất là rất cần thiết đặc biệt là đối với đất kém thống khí. - Nguyên sinh động vật: cĩ vai trị tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn già, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác phát triển và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ cĩ hoạt tính sinh hố mạnh hơn, do đĩ quá trình oxi hố sinh hố được tăng cường. Ngồi ra các nguyên sinh động vật cịn giúp cho lớp đất lọc được tơi xốp. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời cĩ thể đạt được 3 mục tiêu: Xử lý nước thải. Tái sử dụng các chất dinh dưỡng cĩ trong nước thải để sản xuất. Nạp lại nước cho các túi nước ngầm. So với các hệ thống khác thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc chỉ cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hồn lưu nước thải và bùn… Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí nên việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng cĩ nhiều hạn chế như: cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc nhiều vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu. Tuỳ theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại: Cánh đồng lọc chậm. Cánh đồng lọc nhanh Cánh đồng lọc chảy tràn Hồ sinh học hiếu khí Ao hồ hiếu khí là loại ao hồ nông 0.3 – 0.5m có quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ nhờ vào các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm có hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo. Vi sinh vật trong hồ sinh học chủ yếu là vi khuẩn và tảo, ngồi ra cịn cĩ Protozoa, giả túc Rotifers. Vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, vi khuẩn Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn tiết ra. Tảo: sự phát triển tuỳ thuộc vào các loại chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng. Các lồi như Euglena, Chlorella sẽ phát triển ở nơi cĩ nồng độ dinh dưỡng cao. Những loại tảo nhỏ địi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chu đạo hơn. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng khơng đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellata hoạt tính. Hồ hiếu khí tự nhiên : oxy từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải oxy. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của hồ phải nhỏ thường là 30 – 40cm. Do vậy diện tích của hồ càng lớn càng tốt. Tải trọng của hồ (BOD) khoảng 250 – 300kg/ha.ngày, thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Do ao nông, diện tích lớn nên đảm bảo điều kiện hiếu khí cho toàn bộ nước trong ao. Nước lưu trong ao tương đối dài. Hiệu quả làm sạch có thể tới 80 – 95% BOD, màu nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo. Hồ sục khuấy: nguồn cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, điều độ và độ sâu của hồ cũng nhỏ hơn tải trọng BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày có khi dài hơn. 4.6.2 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo 4.6.2.1 Bể lọc sinh học Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo trong đó nước thải được lọc qua vật liệu rắn có bao bọc một lớp màng vi sinh vật. Vi sinh vật trong bể lọc sinh học Vi khuẩn: gồm các vi khuẩn hiếu khí, tuỳ tiện và yếm khí. Ở mặt ngồi của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, dễ nhận thấy là loại trực khuẩn tạo nha Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng chủ yếu là vi khuẩn yếm khí Desulfovibrio. Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là lồi tuỳ tiện gồm nhiều loại như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus. Nấm: là loại hiếu khí nên chỉ sống ở vùng cĩ oxi hồ tan, ở nước thải cĩ pH thấp thì nấm và một số vi khuẩn chỉ thị phát triển mạnh. Tảo: khơng phát triển được nhiều mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt của bể lọc mà thơi. Động vật nguyên sinh: ở các lớp vật liệu phía trên cĩ các loại bền vững chịu được trạng thái oxi như: Paramecium, Putrium, P. caudatum, Colpidium colpada… Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc. Quá trình oxy hoá chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trôi khỏi bể được tách khỏi nước thải ở bể lắng đợt 2. Để đảm bảo quá trình oxy hoá sinh hoá diễn ra ổn định, oxy được cấp cho bể lọc bằng các biện pháp thông gió tự nhiên hoặc thông gió nhân tạo. Vật liệu lọc của bể lọc sinh học có thể là nhựa Plastic, xỉ vòng gốm, đá Granit… Các loại bể lọc sinh học: Bể lọc sinh học nhỏ giọt Bể có dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình tròn trên mặt bằng, bể lọc sinh học nhỏ giọt làm việc theo nguyên tắc sau: Nước thải sau bể lắng đợt 1 được đưa về thiết bị phân phối theo chu kỳ tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt bể lọc. Nước thải sau khi lọc chảy vào hệ thống thu nước và được dẫn ra khỏi bể. Oxy cấp cho bể chủ yếu qua hệ thống lỗ xung quanh thành bể. Vật liệu lọc của bể sinh học nhỏ giọt thường là các hạt cuội, đá… đường kính trung bình 20 – 30 mm. Tải trọng nước thải của bể thấp (0,5 – 1,5 m3/m3 vật liệu lọc /ngày đêm). Chiều cao lớp vật liệu lọc là 1,5 – 2m. Hiệu quả xử lý nước thải theo tiêu chuẩn BOD đạt 90% . Dùng cho các trạm xử lý nước thải có công suất dưới 1000 m3/ngày đêm. Bể lọc sinh học hoạt tính: Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt cao tải, chỉ khác là bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm hồn lưu vào bể lọc sinh học hoạt tính để tăng mật độ vi sinh vật trong bể này. Ưu điểm của bể này là hiệu suất khử BOD cao hơn, lưu lượng nạp BOD cĩ thể tăng 4 – 5 lần so với bể lọc sinh học nhỏ giọt thơng thường. Bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí: Hệ thống này gồm bể lọc sinh học nhỏ giọt, bể sục khí và bể lắng thứ cấp. Các bùn vi sinh vật từ bể lọc được đưa qua bể sục khí để tạo bơng cặn và khử các chất hữu cơ hồ tan. Kết hợp bể lọc thơ với bùn hoạt tính: Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí, tuy nhiên hệ thống này cĩ thể hoạt động được với lưu lượng nạp chất hữu cơ cao hơn. Bể lọc thơ dùng để khử chất hữu cơ của nước thải giúp cho hệ thống khỏi bị hoạt động quá tải hay dưới tải. Khi nước thải chảy qua, trên bề mặt các hạt vật liệu lọc sẽ hình thành, phát triển các vi sinh vật và sinh vật gọi là tạo màng sinh vật. Bể Aerotank - bùn hoạt tính Là bể chứa hổn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở trạng thái lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxy cho vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật trong bùn hoạt tính Vi khuẩn: là nhĩm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân huỷ các hợp chất hữu cơ và là thành phần cấu tạo chủ yếu của bùn hoạt tính. Bản chất của hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ xác định loại vi khuẩn nào là loại chủ đạo. Nước thải chứa protein sẽ kích thích các loại Alcaligenes, Flavobacterium và Bacillus phát triển. Nước thải chứa hydratcacbon hoặc hydrocacbon thì kích thích Pseudomonas. Nấm: được coi là khơng mong muốn tồn tại trong bùn hoạt tính. Nếu nước thải chứa hydratcacbon với nồng độ cao, pH thấp, thiếu chất dinh dưỡng sẽ kích thích nấm phát triển. Nấm trong bùn hoạt tín sẽ tạo dạng chỉ và ngăn cản việc tạo bơng và làm bùn khơ lắng. Protozoa: chỉ đĩng vai trị gián tiếp trong việc ổn định, phân huỷ chất hữu cơ mà thơi. Khi nồng độ chất hữu cơ thấp thì tạo điều kiện cho động vật nguyên sinh phát triển và chiếm chủ đạo trong bùn hoạt tính. Nước thải sau khi qua bể lắng 1 cĩ chứa các chất hữu cơ hồ tan và chất lơ lửng đi vào bể Aerotank. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đĩng vai trị là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bơng cặn gọi là bùn hoạt tính. Vi khuẩn và các vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng N, P làm thức ăn để chuyển hố chúng thành các chất trơ khơng hồ tan và thành các tế bào mới. Quá trình chuyển hố thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau. Một vài loại vi khuẩn tấn cơng vào các hợp chất hữu cơ cĩ cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hố thải ra các hợp chất hữu cơ cĩ cấu trúc đơn giản hơn, một vài loại vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các hợp chất đơn giản hơn nữa, và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng cung cấp vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải đi vào bể khơng đủ để làm giảm nhanh các chất hữu cơ, do đĩ phải sử dụng lại bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng đợt 2 bằng cách tuần hồn bùn ngược trở lại đầu bể Aerotank để duy trì nồng độ đủ của vi khuẩn trong bể. Bùn dư ở đáy bể lắng được xả ra khu xử lý bùn. Để cung cấp oxy hồ tan cho bể Aerotank, người ta sử dụng các cách sau: Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng. Song, biện pháp này khơng hồn tồn đáp ứng được nhu cầu oxy. Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành các dịng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau. Kết hợp nén khí với khuấy đảo. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của bể Aerotank Lượng oxy hồ tan trong nước. Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật. Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ cĩ trong nước thải để đảm bảo cho Aerotank làm việc cĩ hiệu quả. Các chất cĩ độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sống của vi sinh vật. pH và nhiệt độ của nước thải. Phân loại Aerotank - Aerotank tải trọng thấp (Aerotank truyền thống): - Aerotank tải trọng cao một bậc - Aerotank tải trọng cao nhiều bậc - Aerotank cĩ ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Aerotank ổn định – tiếp xúc) - Aerotank thơng khí kéo dài - Aerotank thơng khí cao cĩ khuấy đảo hồn chỉnh CÁC THƠNG SỐ TÍNH TỐN CƠNG TRÌNH XỬ LÝ stt Đại lượng cần tính Biểu thức Giải thích đại lượng 1 Tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) X: nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, (g/m3; mg/l) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) 2 Tỷ số F/M:Tỷ lệ thức ăn trên số lượng vi khuẩn ngày-1 F/M= S0: nồng độ COD đầu vào (mg/l) q: thời gian lưu nước trong bể phản ứng hiếu khí ( ngày) X: nồng độ chất rắn lơ lửng bay hơi trong bể phản ứng hiếu khí ( mg/l) 3 Thời gian lưu nước: q (ngày) q= V: thể tích bể phản ứng hiếu khí (m3) Q: lưu lượng nước thải (m3/ ngày) 4 Thời gian lưu bùn: qb(ngày) qb = MLSS: hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng hiếu khí (mg/l) V: thể tích bể phản ứng hiếu khí ( m3) SSe: hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải đầu ra (mg/l) Qe: lưu lượng nước thải ra (m3/ngày) SSw: hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn thải (mg/l) Qw: lưu lượng bùn thải (m3/ngày) 5 Chỉ số thể tích bùn SVI (mg/l) SVI = x 1000 V30’: thể tích bùn lắng sau 30 phút. 6 Hiệu quả xử lý: E - Xử lý theo COD: - Xử lý theo BOD: - Hiệu quả xử lý tồn bộ: c: lượng cặn theo COD S: lượng BOD5 hồ tan ra khỏi bể lắng BOD5ra = BOD5hồ tan + BOD5 lơ lửn