Khóa luận Tổng quan về các quá trình sinh học trong xử lý nước thải thủy sản

PHẦN MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Với đường bờ biển dài 3.260 km, Việt Nam được xem là nước có tài nguyên biển khá đa dạng và phong phú. Với thuận lợi đó, hàng năm ngành đánh bắt, nuôi trồng, chế biến thuỷ hải sản chiếm tỷ trọng khá lớn trong kiêm ngạch xuất khẩu của Việt Nam. Đấy là minh chứng cho giá trị vô giá mà biển Việt Nam mang lại. Với quy mô đánh bắt mở rộng và nhu cầu nuôi trồng thuỷ sản không ngừng gia tăng, trước những đòi hỏi về nguồn lương thực thực phẩm đó, các cơ sở sản xuất chế biến mặt hàng thuỷ sản cũng được xây dựng ngày càng nhiều, không những ở các khu vực có các ngư trường lớn mà còn ở cả các vùng lân cận, các khu dân cư, khu đô thị. Nhiều yếu tố tích cực mà mô hình sản xuất này mang lại đã góp phần giải quyết công ăn việc làm cho cộng đồng, đảm bảo lương thực, thực phẩm cho trong nước và xuất khẩu… đều đã được thừa nhận. Tuy nhiên, phải nhìn nhận một vấn đề còn tồn tại là nạn ô nhiễm môi trường mà hoạt động này tác động là khá lớn. Với đặc tính dòng thải là giàu hữu cơ, nhiều nitơ, photpho… Đồng thời, về cảm quan mùi rất khó chịu cho cộng đồng, nước thải phát sinh từ hoạt động chế biến thuỷ sản này đã được nhận định là nguy hiểm cho môi trường và cho sinh thái, đặc biệt là hệ sinh thái thuỷ vực – khi mà hầu hết sông ngòi hiện nay là nơi tiếp nhận nguồn thải. Và khi đó, con người cũng sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực. Nhận thức được khả năng gây nguy hại cho các thành phần môi trường, hầu hết các nhà máy sản xuất thủy sản đều xây dựng các trạm xử lý nước thải để giảm nồng độ và tải lượng ô nhiễm trước khi xả là nguồn tiếp nhận. Với đặc tính của nước thải thủy sản thì sử dụng phương pháp sinh học để xử lý là phù hợp nhất. Xuất phát từ những nhận thức đó, với mong muốn đóng góp một phần nhỏ của cá nhân vào công tác quản lý kỹ thuật dòng thải, em đã chọn thực hiện đề tài “Tổng Quan Về Các Quá Trình Sinh Học Trong Xử Lý Nước Thải Thủy Sản”. MỤC ĐÍCH THỰC HIỆN Mục tiêu chính của đề tài là tìm hiểu tổng quan về các quá trình sinh học được ứng dụng trong xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản nhằm đề xuất được các phương án xử lý nước thải chế biến thủy sản phù hợp, hiệu quả và mang tính kinh tế. NỘI DUNG THỰC HIỆN Nội dung tìm hiểu của đề tài bao gồm các phần sau: Đặc tính và nguồn gốc phát sinh của nước thải chế biến thủy sản. Tác động của nước thải chế biến thủy sản đến môi trường. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải nói chung và nước thải chế biến thủy sản nói riêng. Tổng quan về vi sinh vật trong xử lý nước thải. Đề xuất các phương án xử lý nước thải thủy sản. Thu thập một số công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản được áp dụng trong thực tiễn. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Đề tài được thực hiện dựa trên các phương pháp sau: Phương pháp thu thập tài liệu: dữ liệu được thu thập từ các kết quả nghiên cứu, các tài liệu và các trang web có liên quan. Phương pháp phân tích, tổng hợp, đánh giá và lựa chọn phương án. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI THỦY SẢN Ngành công nghiệp chế biến thủy hải sản đã và đang đem lại những lợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế Việt Nam nói chung và của người nông dân nuôi trồng thủy hải sản nói riêng. Nhưng bên cạnh những lợi ích mà nó mang lại như giảm đối nghèo, tăng trưởng GDP cho quốc gia thì nó cũng để lại những hậu quả thật khó lường đối với môi trường sống của chúng ta. Hậu quả là các con sông, kênh rạch nước bị đen bẩn và bốc mùi hôi thối một phần là do việc sản xuất và chế biến thủy hải sản thải ra một lượng lớn nước thải có mùi hôi tanh vào môi trường mà không qua bất kỳ giai đoạn xử lý nào. Chính điều này đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với con người và hệ sinh thái gần các khu vực có lượng nước thải này thải ra. 1.1. ĐẶC TÍNH VÀ NGUỒN GỐC PHÁT SINH CỦA NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN 1.1.1. Đặc tính Giống như hầu hết các loại nước thải khác, nước thải trong chế biến thủy sản có chứa hỗn hợp các chất gây ô nhiễm, hầu hết là chất hữu cơ. Đặc điểm của ngành chế biến thủy hải sản là có lượng chất thải lớn. Các chất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát thâm nhập vào dòng nước thải. Nước thải trong chế biến thuỷ hải sản có hàm lượng chất hữu cơ cao vì trong đó có dầu, protein, chất rắn lơ lửng và chứa lượng photphat và nitrat. Dòng thải từ chế biến thuỷ sản còn chứa những mẫu vụn thịt, xương nguyên liệu chế biến, máu chất béo, các chất hoà tan từ nội tạng cũng như những chất tẩy rửa và các tác nhân làm sạch khác. Trong đó có nhiều hợp chất khó phân hủy. Mức độ ô nhiễm của nước thải tùy thuộc vào sự có mặt của một số yếu tố, nhưng quan trọng nhất là phương pháp chế biến là loài thủy sản được chế biến. Nếu chỉ xem xét cùng một dạng hoạt động sản xuất, quy trình hoạt động của mỗi nhà máy, xí nghiệp cũng có ảnh hưởng lớn đến đặc tính của nước thải nhưng hầu hết chúng có các đặc tính chung là: pH thường nằm trong giới hạn từ 6,5 – 7,5 do có quá trình phân huỷ đạm và thải ammoniac. Có hàm lượng các chất hữu cơ dạng dễ phân huỷ sinh học cao. Giá trị BOD5 thường lớn, dao động trong khoảng 300 – 2000 mg/l, giá trị COD nằm trong khoảng 500 – 3000 mg/l. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao từ 200 – 1000 mg/l. Hàm lượng lớn các protein và chất dinh dưỡng, thể hiện ở hai thông số tổng Nitơ (50 – 200 mg/l) và tổng Photpho (10 – 100 mg/l). 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh Theo báo cáo của Bộ Thủy sản (1998), lượng nước thải trung bình từ 1 tấn sản phẩm là 15m3, trong khi sản lượng thủy sản năm 2008 lên đến 1.676.000 tấn, và đang tăng thêm theo từng năm. Nguồn nước thải bắt nguồn từ các công đoạn sản xuất như: Sơ chế nguyên liệu bao gồm rửa, mổ, rã đông. Quá trình hấp luộc. Quá trình ngâm thủy sản. 1.2. THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI THỦY HẢI SẢN Ngành chế biến thuỷ sản là một ngành công nghiệp phát triển mạnh. Bên cạnh những đóng góp to lớn, ngành công nghiệp này cũng nảy sinh ra nhiều vấn đề về môi trường, đặc biệt là nước thải sản xuất, ngành đã tạo ra một lượng nước thải lớn có nguy cơ làm ô nhiễm môi trường cao. Với các chủng loại nguyên liệu tương đối phong phú, đối với điều kiện nước ta nên các thành phần nước thải thuỷ sản cũng khá phức tạp và đa dạng bao gồm 3 loại nước thải: Nước thải sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt trong đó nước thải sản xuất có mức độ ô nhiễm cao hơn cả tuỳ theo đặc tính của nguyên liệu sử dụng mà nước thải có tính chất khác nhau. Nước thải sản xuất chế biến thuỷ sản chứa chủ yếu là chất thải hữu cơ có nguồn gốc từ động vật và có thành phần chủ yếu là protein và chất béo, trong hai thành phần này chất béo khó bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Nước thải của xí nghiệp chế biến thuỷ sản có hàm lượng COD dao động từ 1600 – 2300 mg/l, hàm lượng BOD5 cũng khá lớn từ 1200-1800mg/l trong nước thường chứa các vụn thủy sản và các vụn này rất dễ lắng. Hàm lượng Nitơ thường rất cao chứng tỏ mức độ ô nhiễm chất dinh dưỡng rất cao (50 – 120mg/l). Ngoài ra trong nước thải thuỷ hải sản có chứa các thành phần chất hữu cơ khi phân huỷ tạo ra các sản phẩm trung gian của sự phân huỷ các axit béo không bão hoà tạo mùi rất khó chiụ và đặc trưng làm ô nhiễm về mặt cảm quan và ảnh hưởng sức khỏe công nhân trực tiếp làm việc. Đặc điểm của ngành chế biến thuỷ hải sản là có lượng chất thải lớn. Các chất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát theo đường thâm nhập vào dòng nước thải. Đối với các khâu chế biến cơ bản, nguồn thải chính là khâu xử lý và bảo quản nguyên liệu trước khi chế biến, khâu rã đông, làm vệ sinh thiết bị nhà xưởng. Đối với hoạt động đóng hộp, ngoài các nguồn ô nhiễm ở các khâu như trên còn có khâu rót nước sốt, nước muối, dầu. Các nguồn thải chính từ sản xuất bột cá và dầu cá là nước máu từ khâu bốc dỡ và bảo quản cá vào thời điểm dòng thải đậm đặc nhất là khâu ly tâm nước ngưng tụ các thiết bị cô đặc. Nước trong chế biến thuỷ hải sản có hàm lượng chất hữu cơ cao vì trong đó có dầu, protein, chất rắn lơ lửng và chứa lượng photphat và nitrat. Dòng thải từ chế biến thuỷ sản còn chứa những mẫu vụn thịt xương nguyên liệu chế biến, máu chất béo, các chất hoà tan từ nội tạng cũng như những chất tẩy rửa và các tác nhân làm sạch khác. Trong đó có nhiều hợp chất khó phân huỷ. Qua phân tích 70 mẫu nước thuỷ tại các cơ sở chế biến hải sản có quy mô công nghiệp tại địa bàn tỉnh Vũng Tàu nhận thấy hàm lượng COD của các cơ sở dao động từ 283 mg/l – 21.026 mg/l; trong khi tiêu chuẩn Việt Nam đối với nước thải được phép thải vào nguồn nước biển quanh bờ sử dụng cho mục đích bảo vệ thuỷ sinh có lưu lượng thải từ 50 m3 – 500 m3 / ngày là < 100 mg/l. Nước thải của phân xưởng chế biến thủy hải sản có hàm lượng COD dao động từ 500 – 3000 mg/l, giá trị điển hình là 1500 mg/l; hàm lượng BOD5 dao động trong khoảng từ 300 – 2000 mg/l, giá trị điển hình là 1000 mg/l. Trong nước thường có các mảnh vụn thuỷ sản và các mảnh vụn này dễ lắng, hàm lượng chất rắn lơ lửng dao động từ 200 – 1000 mg/l, giá trị thường gặp là 500mg/l. Nước thải thuỷ sản cũng bị ô nhiễm chất dinh dưỡng với hàm lượng Nitơ khá cao từ 50 – 200 mg/l, giá trị thường gặp là 100mg/l; hàm lượng photpho dao động từ 10 – 100 mg/l, giá trị điển hình là 30 mg/l. Ngoài ra trong nước thải của ngành chế biến thuỷ hải sản còn chứa thành phần hữu cơ mà khi bị phân huỷ sẽ tạo các sản phẩm trung gian của sự phân huỷ của các acit béo không bão hoà, tạo mùi rất khó chịu và đặc trưng, gây ô nhiễm về mặt cảnh quan và ảnh hưởng trực tiếp đến công nhân làm việc. Bảng 1.1. Các thông số ô nhiễm đặc trưng đối với nước thải chế biến thuỷ sản của một số nhà máy chế biến đông lạnh Các thông số Kết quả pH 6.2 - 7,5 COD 2.000 mg/l BOD5 1.200 mg/l Dầu mỡ 80 - 250 mg/l SS 1200 mg/l S N 100 mg/l S P 30 mg/l (Nguồn: Viện kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường tháng 8/2007) Bảng 1.2.Tải lượng ô nhiễm nước thải của một số nhà máy CBTS TT Tên cơ sở công nghiệp Công suất (TSP/ ngày) Tải lượng ô nhiễm SS BOD5 COD N P 1 Cty XNK thủy sản Việt Nam (SEAPRODEX) 12 -15 484 3300 3960 198 21 2 Cty chế biến hàng xuất khẩu Q3 (EPCO) 25 – 30 396 2700 3240 162 19 3 XNXK thủy hải sản Seaspimex 6 – 9 380 1100 1425 110 23 4 XN đông lạnh Nhà Bè 3,5 - 5 53 360 423 22 5 5 XN CBTSXK Cần Thơ 3 - 6 200 682 900 30 8 6 Cty XNK thủy sản An Giang 8 - 12 1028 900 - 40 10 7 Cty CBTSXK Nha Trang 4 - 6 420 533 810 54 17 8 Cty Animex Đà Nẵng 1 - 2 351 460 630 - - 9 XN đông lạnh Huế 2 - 3 - 428 717 - - 10 Cty XNKTS Quảng Ninh 4 - 6 - - 1347 189 47 Ngành chế biến hải sản là một trong những ngành công nghiệp gây ô nhiễm nhiều nhất cho môi trường đặc biệt là môi trường nước. Nước thải chế biến thuỷ sản chứa chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (N, P) cao, tạo điều kiện cho các vi sinh vật gây bệnh phát triển như: vi khuẩn thương hàn, tả, lỵ, siêu vi trùng gan,… và một số loài nấm gây bệnh cho da, đồng thời làm tăng lượng tảo trong nước (hiện tượng phú dưỡng-eutrophy). Loại nước thải này có nguy cơ gây ô nhiễm trầm trọng cho môi trường xung quanh nếu không được xử lí đúng mức. Ngoài ra nước thải chế biến thuỷ sản còn chứa dầu mỡ sinh ra từ quá trình chế biến cá có nhiều dầu. Một đặc điểm quan trọng khác là hầu hết các nhà máy chế biến thuỷ sản đề nằm ở ven biển, ngoại trừ thành phố Hồ Chí Minh, nên đều thiếu nước ngọt để chế biến. Vì vậy một số nhà máy dùng trực tiếp nước biển cho một số công đoạn trong quá trình chế biến như xả đá, mổ xẻ và rửa nguyên liệu. Do đó lượng nước thải này ít nhiều có độ mặn. Dưới đây là thành phần nước thải của nhà máy chế biến cá khô muối. Bảng 1.3. Thành phần nước thải nhà máy chế biến cá khô muối Thông số Đơn vị Nơi tập trung Bể nước muối Nước thải khác COD mg/l 5.250 873 BOD5 mg/l 5.250 670 SS mg/l 371 119 Ph 6,17 6,77 Cl- mg/l 45,76 16,7 SO42- mg/l 26,8 10,01 N tổng số mg/l 1,240 164 P tổng số mg/l 4,72 5,25 Số liệu Bảng 1.3 cho thấy việc chế biến cá khô muối sản sinh ra một lượng nước thải có chứa nồng độ muối rất cao, từ 17 cho đến 46 g/l. Nước thải với hàm lượng muối cao như vậy khiến cho các tế bào vi khuẩn tham gia trong quá trình xử lý nước thải bị ức chế, bị mất nước, do áp lực thẩm thấu dẫn đến hiệu suất xử lý giảm. Vì vậy ngoài vấn đề ô nhiễm chất hữu cơ, một vấn đề đặc biệt khác cần phải quan tâm trước khi thiết lập một hệ thống kiểm soát ô nhiễm là việc nước thải của là việc nước thải của quá trình chế biến hải sản chứa hàm lượng muối (Na+, Cl-, SO42-) rất cao, khiến cho việc xử lý trửo nên khó khăn. Rõ ràng ô nhiễm môi trường nước nói chung và ô nhiễm chất hữu cơ do các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, nhất là công nghiệp chế biến thuỷ sản trong điều kiện nhiễm mặn đã đạt đến mức đặc biệt nghiêm trọng, đòi hỏi phải có nghiên cứu xử lý nhằm đảm bảo môi trường. 1.3. TÁC ĐỘNG CỦA NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN ĐẾN MÔI TRƯỜNG Nước thải chế biến thuỷ sản có hàm lượng các chất ô nhiễm cao nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước ngầm trong khu vực. Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thuỷ sản có thể thấm xuống đất và gây ô nhiễm nước ngầm. Các nguồn nước ngầm nhiễm các chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi trùng rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinh hoạt. Đối với các nguồn nước mặt, các chất ô nhiễm có trong nước thải chế biến thuỷ sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và thủy sinh vật, cụ thể như sau: 1.3.1 Các chất hữu cơ Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thuỷ sản chủ yếu là dễ bị phân hủy. Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, protein, chất béo... khi xả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ. Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá. Oxy hòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. 1.3.2 Chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo, rong rêu... Chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè… 1.3.3 Chất dinh dưỡng (N, P) Nồng độ các chất nitơ, photpho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây nên hiện tượng thiếu oxy. Nếu nồng độ oxy giảm tới 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng tới chất lượng nước của thủy vực. Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không có ánh sáng. Quá trình quang hợp của các thực vật tầng dưới bị ngưng trệ. Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thuỷ sinh, nghề nuôi trồng thuỷ sản, du lịch và cấp nước. Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ. Nồng độ làm chết tôm, cá, từ 1,2 ¸ 3 mg/l. Tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi trồng thủy sản của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ Amonia không vượt quá 1 mg/l. 1.3.4. Vi sinh vật Các vi sinh vật đặc biệt vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt. Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CƠ HỌC Phương pháp xử lý cơ học sử dụng nhằm mục đích tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Những công trình xử lý cơ học bao gồm: 2.1.1 Song chắn rác: Song chắn rác dùng để giữ lại các chất thải rắn có kích thước lớn trong nước thải để đảm bảo cho bơm, van và các đường ống không bị nghẽn bởi rác. Kích thước tối thiểu của rác bị giữ lại tùy thuộc vào khoảng cách các thanh kim loại của song chắn rác. Để tránh ứ đọng rác và gây tổn thất áp lực của dòng chảy người ta thường xuyên làm sạch song chắn rác bằng cách cò rác thủ công hoặc cơ giới. Tùy theo yêu cầu và kích thước của rác chiều rộng khe hở của các song thay đổi. Bảng 2.1. Các giá trị thông dụng để thiết kế song chắn rác Chỉ tiêu Cào rác thủ công Cào rác cơ giới Kích thước của các thanh Bề dày( cm) Bề bản( cm) 0,51¸1,52 2,54 ¸3,81 0.51 ¸1,52 2,54 ¸3,81 Khoảng cách giữa các thanh( cm) 2,54 ¸5,08 1,52 ¸7,62 Độ nghiêng song chắn rác theo trục thẳng đứng (độ) 30 ¸45 0 ¸ 30 Vận tốc dòng chảy(m/s) 0,31 ¸ 0,62 0,62 ¸0,99 Độ giản áp cho phép( cm) 15,24 15,24 (Nguồn : Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991) 2.1.2. Bể lắng cát: Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sạn, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải. Trong nước thải, bản thân chúng không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các công trình thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn trong các kênh dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của các bể xử lý và tăng tần số làm sạch các bể này. Vì vậy trong các trạm xử lý nhất thiết phải có bể lắng cát. Bể lắng cát thường đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp. Đôi khi người ta đặt bể lắng cát trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn rác có lợi hơn cho việc quản lý bể. Ở đây phải tính toán như thế nào cho các hạt cát và các hạt vô cơ cần loại bỏ lắng xuống còn các chất hữu cơ lơ lững khác trôi đi. Bể lắng cát được áp dụng lâu đời nhất là bể lắng cát chuyển động dọc theo dòng chảy, trong bể này ta khống chế vận tốc dòng chảy để tạo điều kiện cho các hạt cát, sỏi lắng xuống còn các hạt hữu cơ khác sẽ theo dòng chảy trôi ra ngoài. Vận tốc dòng chảy được khống chế ở mức 0,3 m/ s, nhằm tạo dủ thời gian để các hạt cát lắng xuống đáy bể. Với vận tốc này hầu hết các hạt chất hữu cơ đều được đưa ra khỏi bể và vẫn ở trạng thái lơ lửng. Thông thường thì các bể này được thiết kế để lắng các hạt có kích thước lớn hơn 0,15mm. Chiều dài bể phụ thuộc vào chiều sâu cần thiết để lắng các hạt ở vận tốc thiết kế, diện tích mặt cắt đứng của bể được điều chỉnh vận tốc dòng chảy và số bể. Cần phải hạn chế dòng chảy rối xảy ra ở đầu vào và đầu ra của bể, người ta đề nghị tăng chiều dài lý thuyết lên 50% để thoả mãn vấn đề này. Bảng 2.2. Các giá trị thiết kế bể lắng cát Thông số Khoảng biến thiên Giá trị thông dụng Thời gian lưu tồn nước ( giây) Vận tốc chuyển động ngang ft/ s Tốc độ lắng của hạt ft/ min Giữ lại trên lưới có đường kính 0,21 mm Giữ lại trên lưới có đường kính 0,15 mm Độ giảm áp % độ sâu diện tích ướt trong kênh dẫn Hạn chế dòng chảy rối ở đầu vào và đầu ra 45 - 90 0,8 - 1,3 3,2 - 4,2 2,0 - 3,0 30 - 40 2 Dm - 0,5 L 60 1,0 3,8 2,5 36 Nguồn : Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Chú ý thời gian tồn lưu nước nếu quá nhỏ sẽ không đảm bảo hiệu suất lắng, nếu lớn quá sẽ có các chất hữu cơ lắng. Các bể lắng thường được trang bị thêm thanh gạt chất lắng ở dưới đáy, gàu múc các chất lắng chạy trên đường ray để cơ giới hoá việc xả cặn. 2.1.3. Bể điều lưu: Trong quá trình xử lý nước thải cần phải điều hoà lượng dòng chảy. Trong quá trình này thực chất là thiết lập hệ thống điều hoà lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải nhằm tạo điều kiện tốt nhất cho các công trình phía sau hoạt động ổn định. Nước thải công ty được thải ra với lưu lượng biến đổi theo thời vụ sản xuất, giờ mùa. Trong khi đó các hệ thống sinh học phải được cung cấp nước thải đều đặn về thể tích cũng như các chất cần xử lý 24/24 giờ. Do đó sự hiện diện của bể điều lưu là hết sức cần thiết. Bể điều lưu có chức năng điều hòa lưu lượng nước thải và các chất cần xử lý để đảm bảo hiệu quả cho các quá trình xử lý sinh học phía sau, nó chứa nước thải và các chất cần xử lý ở những giờ cao điểm rồi phân phối lại cho các giờ không hoặc ít sử dụng để cung cấp ở một lưu lượng nhất định 24/24 giờ cho các hệ thống xử lý sinh học phía sau. Các lợi ích của bể điều lưu như sau: Bể điều lưu làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do đó nó hạn chế hiện tượng “shock” của hệ thống do hoạt động quá tải hoặc dưới tải về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất hữu cơ, giảm được diện tích xây dựng các bể sinh học. Hơn nữa các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ được pha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật . Trong thực tế bể điều lưu được xây dựng lớn hơn thể tích thiết kế 10 ¸20% để phòng ngừa các trường hợp không tiên đoán được sự cố biến động hàng ngày của lưu lượng, trong một số hệ thống xử lý người ta có thể bơm, hoàn lưu một số nước thải về bể điều lưu. 2.1.4. Bể tuyển nổi : Bể tuyển nổi được sử dụng để loại bỏ các hạt rắn hoặc lỏng ra khỏi hỗn hợp nước thải và cô đặc bùn sinh học. Trong xử lý nước thải, bể tuyển nổi được sử dụng chủ yếu để loại các chất lơ lửng và cô đặc bùn sinh học. Lợi điểm chủ yếu của bể tuyển nổi là nó có thể loại các hạt chất rắn nhỏ, có vận tốc lắng chậm trong một thời gian ngắn. Bể tuyển nổi gồm có các loại: Bể tuyển nổi theo trọng lượng riêng Bể tuyển nổi bằng phương pháp điện phân Bể tuyển nổi bằng cách hoà tan không khí ở áp suất cao Bể tuyển nổi bằng sục khí Bể tuyển nổi theo kiểu tạo chân không Trong phạm vi đề tài, ta chọn bể tuyển nổi bằng cách hoà tan không khí ở áp suất cao. Theo cách này không khí được hoà tan vào nước thải ở áp suất cao vài atm, sau đó nước thải được đưa trở lại áp suất thường của khí quyển. Lúc này không khí trong nước thải sẽ phóng thích trở lại vào áp suất khí quyển dưới dạng các bọt khí nhỏ. Các bọt khí này sẽ bám vào các hạt chất rắn tạo lực nâng các hạt chất rắn này nổi lên bề mặt của bể, sau đó các chất rắn này được loại bỏ bằng các thanh gạt. 2.1.5. Bể lắng sơ cấp: Bể lắng làm nhiệm vụ tách các chất lơ lửng còn lại trong nước thải (sau khi qua bể lắng cát) có tỷ trọng lớn hơn hoặc nhỏ hơn tỷ trọng của nước dưới dạng lắng xuống đáy bể hoặc nổi lên trên mặt nước. Thông thường bể lắng có ba loại chủ yếu: bể lắng ngang (nước chuyển động theo phương ngang), bể lắng đứng (nước chuyển động theo phương thẳng đứng), và bể lắng ly tâm (nước chuyển động từ tâm ra xung quanh) thường có dạng hình tròn trên mặt bằng. Ngoài ra, còn một số dạng bể lắng khác như bể lắng nghiêng, bể lắng được thiết kế nhằm tăng cường hiệu quả lắng. Trước khi đi vào giai đoạn xử lí sinh học, hàm lượng chất rắn lơ lững trong nước thải SS 150mg/l. Chiều cao của bể : 3.084m h 4.572m (Trịnh Xuân Lai, 2000) Bảng 2.3 Vài giá trị của hằng số thực nghiệm a,b ở t200c Chỉ tiêu a(giờ) b(giờ) Khử BOD5 0.018 0.020 Khử cặn lơ lững 0.0075 0.014 ( Nguồn Tính toán thiết kế các công trình xử lí nước thải của Trịnh Xuân Lai) Bảng 2.4. Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm sau khi qua bể lắng sơ cấp Thông số Hiệu suất xử lí (%) TSS 40 – 70 BOD5 25 – 40 COD 20 – 30 TP 5 – 10 Vi khuẩn 50 – 60 (Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991) Bảng 2.5. Một số giá trị tham khảo để thiết kế bể lắng sơ cấp hình trụ tròn và hình chữ nhật Thông số Giá trị Khoảng biến thiên Thông dụng Hình chữ nhật Sâu (m) 3 – 4.6 3.7 Dài (m) 15.2 – 91.4 24.4 – 39.6 Rộng (m) 3.0 – 24.4 4.9 – 9.7 Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (m/phút) 0.6 – 1.2 0.9 Hình trụ tròn Sâu (m) 3.0 – 4.6 3.7 Đường kính (m) 3.0 – 61 12.2 – 45.8 Độ dốc của đáy (m/m) 0.063 – 0.167 0.083 Vận tốc thiết bị gạt váng và cặn (vòng/phút) 0.02 – 0.05 0.03 (Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991) 2.1.6. Bể bùn hoạt tính: Xử lý nước thải bằng bể bùn hoạt tính bao gồm bể chứa khí và bể lắng, vi sinh vật kết bông được tách ra ở bể lắng và hoàn lưu lại bể hiếu khí để duy trì nồng độ cao của vi sinh vật có hoạt tính, lượng bùn thừa được tách ra đưa vào bể nén bùn hay các công trình xử lý bùn khác để đảm bảo có oxy thường xuyên và trộn đều nước thải với bùn hoạt tính, cần phải cung cấp khí cho bể hiếu khí bằng hệ thống sục khí. Bể bùn hoạt tính là một qui trình xử lý sinh học hiếu khí trong bể không có giá bám cho vi khuẩn. Việc loại bỏ BOD, keo tụ, các hạt keo không lắng và cố định các chất hữu cơ được thực hiện bởi vi sinh vật, chủ yếu là các vi khuẩn. Các vi sinh vật được sử dụng để chuyển hóa các hạt keo và các chất hữu cơ thành các chất khí và các tế bào vi khuẩn mới. Do đó các tế bào vi khuẩn có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng riêng của nước nó có thể tách khỏi nước thải bằng phương pháp lắng trọng lực. Thời gian lưu của nước thải, chế độ nạp nước và các chất hữu cơ trong bể phản ứng: Theo số liệu của Mỹ, thời gian cư trú trung bình của vi khuẩn trong bể theo thể tích bể 5 ¸ 15 ngày, thời gian lưu tồn nước trong bể 4 ¸ 8 giờ. Hiệu suất sục khí và tỷ lệ thức ăn trên vi sinh vật (F/M) nên giữ trị số DO=1,5 ¸ 4mg/l tại mọi khu vực trong bể, trên 4mg/l không tăng hiệu suất mà còn tốn điện. Đối với F/M lớn hơn 0,3 mg/l, lượng không khí cần thiết 30¸55m3/kgBOD5 được xử lý ( hệ thống tạo bọt khí), 24¸36m3/kgBOD5 được xử lý (hệ thống sục khí tạo bọt mịn). Nếu F/M nhỏ hơn 0,3mg/l lượng không khí cần thiết sẽ tăng lên. Thông thường khi sử dụng hệ thống bơm nén khí với hệ thống khuếch tán khí người ta cần 3,75¸15m3 không khí trên 1m3 nước thải. Đối với các thiết bị cơ khí khấy đảo để sục khí cần 1¸1,5kgO2/kgBOD5 được xử lý, theo thực nghiệm ở bể bùn hoạt tính khuấy hoàn chỉnh cho thấy giá trị F/M nằm trong khoảng 0,2¸1,0. 2.1.7. Bể lắng thứ cấp: Bể lắng thứ cấp dùng để loại bỏ các tế bào vi khuẩn nằm ở dạng các bông cặn. Bể lắng thứ cấp có hình dạng cấu tạo gần giống với bể lắng sơ cấp, tuy nhiên thông số thiết kế về lưu lượng nạp nước thải trên một đơn vị diện tích bề mặt của bể khác rất nhiều. Ta có thể tham khảo các thông số thiết kế theo bảng sau. Bảng 2.6. Các thông số tham khảo để thiết kế bể lắng thứ cấp Loại bể xử lý Lưu lượng nạp nước m3/m2.d Lưu lượng nạp chất rắn kg/m2h Chiều sâu của bể m Trung bình Tải đỉnh Trung bình Tải đỉnh Bùn hoạt tính thông khí bằng không khí (ngoại trừ loại thông khí kéo dài) 16,3 ¸ 32,6 40,7 ¸ 48,9 3,9 ¸5,9 9,8 3,66¸6,1 Bùn hoạt tính thông khí bằng oxy tinh khiết 16,3 ¸ 32,6 40,7 ¸48,9 4,9 ¸6,8 9,8 3,66¸6,1 Bùn hoạt tính thông khí kéo dài 8,2 ¸ 16,3 24,4 ¸32,6 1 ¸ 4,9 6,8 3,66¸6,1 Bể lọc sinh học nhỏ giọt 16,3 ¸ 24,4 40,7 ¸48,9 2,9 ¸ 4,9 7,8 3,05¸4,57 Đĩa quay sinh học Nước thải thứ cấp 16,3 ¸ 32,6 40,7 ¸ 48,9 3,9 ¸5,9 9,8 3,05¸4,57 Nước thải nitrat hóa 16,3 ¸ 24,4 32,6 ¸ 40,7 2,9 ¸4,9 7,8 3,05¸4,57 Nguồn : Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 2.1.8. Bể khử trùng: Để hoàn thành công đoạn xử lý nước thải dùng clorine. Nước thải và dung dịch clor (phân phối qua ống châm lổ hoặc suốt chiều ngang của bể trộn) được cho vào bể trộn trang bị một máy khuấy vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch clorine trong bể không ngắn hơn 30 giây. Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch clorine được cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp khúc. Thời gian tiếp xúc giữa clorine và nước thải từ 15¸45 phút, ít nhất phải giữ được 15 phút ở tải đỉnh. Bể tiếp xúc chclorine thường được thiết kế theo kiểu plug_flow. Tỷ lệ dài:rộng từ 10:1 đến 40:1. Vận tốc tối thiểu của nước thải từ 2¸4,5m/phút để tránh lắng bùn trong bể. 2.1.9. Sân phơi bùn: Bùn thải ra từ bể tuyển nổi, bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp được đưa ra sân phơi bùn. Sân phơi bùn được coi là một công đoạn làm khô bùn, làm giảm ẩm độ bùn xuống còn khoảng 70¸80% , nghĩa là hàm lượng vật chất khô trong bùn tăng lên đến 20¸30%. Vì diện tích đệm của nhà máy lớn nên thích hợp cho thiết kế sân phơi bùn. Đáy sân phơi bùn thường làm bằng bêtông cốt thép để đảm bảo cách ly nước rỉ từ bùn vào nước ngầm và có mái che di động tránh nước mưa đổ vào. Chỉ tiêu thiết kế làm giảm ẩm độ bùn xuống còn 75%. Chiều dày lớp bùn là 8cm( thời gian phơi 3 tuần). Chiều dày lớp bùn là 10cm( thời gian phơi 4 tuần). Chiều dày lớp bùn là 12cm( thời gian phơi 6 tuần). Hiệu quả của phương pháp xử lý cơ học: Có thể loại bỏ được đến 60% tạp chất không hoà tan có trong nước thải và giảm BOD đến 30%. Để tăng hiệu suất công tác của các công trình xử lý cơ học có thể dùng biện pháp làm thoáng sơ bộ, thoáng gió đông tụ sinh học, hiệu quả xử lý có thể đạt tới 75% theo hàm lượng chất lơ lửng và 40-50% theo BOD. Trong số các công trình xử lý cơ học có thể kể đến bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể lắng trong có ngăn phân huỷ là những công trình vừa để lắng vừa để phân huỷ cặn lắng. 2.2. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÓA LÝ Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi trường. Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh. Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, đông tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc,... 2.2.1. Phương pháp keo tụ và đông tụ Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách có hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ (coagulation), còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ (flocculation). 2.2.1.1. Phương pháp keo tụ Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các chất cao phân tử vào nước. Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ thì sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng . Chất keo tụ thường dùng có thể là hợp chất tự nhiên và tổng hợp chất keo tự nhiên là tinh bột, ete, xenlulozơ, dectrin (C6H10O5)n và dioxyt silic hoạt tính (xSiO2.yH2O). 2.2.1.2. Phương pháp đông tụ Quá trình thuỷ phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các giai đoạn sau : Me3+ + HOH Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH Me(OH)+ + H+ Me(OH)+ + HOH Me(OH)3 + H+ Me3+ + 3HOH Me(OH)3 + 3 H+ Chất đông tụ thường dùng là muối nhôm, sắt hoặc hoặc hỗn hợp của chúng. Việc chọn chất đông tụ phụ thuộc vào thành phần, tính chất hoá lý, giá thành, nồng độ tạp chất trong nước, pH . Các muối nhôm được dùng làm chất đông tụ: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al(OH)2Cl, Kal(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O. Thường sunfat nhôm làm chất đông tụ vì hoạt động hiệu quả pH = 5 – 7.5, tan tốt trong nước, sử dụng dạng khô hoặc dạng dung dịch 50% và giá thành tương đối rẻ. Các muối sắt được dùng làm chất đông tụ: Fe(SO3).2H2O, Fe(SO4)3.3H2O, FeSO4.7H2O và FeCl3. Hiệu quả lắng cao khi sử dụng dạng khô hay dung dịch 10 -15%. 2.2.2. Tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong xử lý nước thải, tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm, trong một thời gian ngắn. Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể thu gom bằng bộ phận vớt bọt. Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là không khí ) vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu. 2.2.3. Hấp phụ Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân huỷ bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và chi phí riêng cho lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả. Các chất hấp phụ thường được sử dụng như: than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của vài ngành sản xuất được dùng làm chất hấp phụ (tro, rỉ, mạt cưa …). Chất hấp phụ vô cơ như đất sét, silicagen, keo nhôm và các chất hydroxit kim loại ít được sử dụng vì năng lượng tương tác của chúng với các phân tử nước lớn. Chất hấp phụ phổ biến nhất là than hoạt tính, nhưng chúng cần có các tính chất xác định như: tương tác yếu với các phân tử nước và mạnh với các chất hữu cơ, có lỗ xốp thô để có thể hấp phụ các phân tử hữu cơ lớn và phức tạp, có khả năng phục hồi. Ngoài ra, than phải bền với nước và thấm nước nhanh. Quan trọng là than phải có hoạt tính xúc tác thấp đối với phản ứng oxy hóa bởi vì một số chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị oxy hoá và bị hoá nhựa. Các chất hoá nhựa bít kín lổ xốp của than và cản trở việc tái sinh nó ở nhiệt độ thấp. 2.2.4. Phương pháp trao đổi ion Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là cationit, những chất này mang tính axit. Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm. Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation và anion gọi là các ionit lưỡng tính. Phương pháp trao đổi ion thường được ứng dụng để loại ra khỏi nước các kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, M,... các hợp chất của Asen, Photpho, Cyanua và các chất phóng xạ. Các chất trao đổi ion là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo. Các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolit, kim loại khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau… vô cơ tổng hợp gồm silicagen, pecmutit (chất làm mềm nước ), các oxyt khó tan và hydroxyt của một số kim loại như nhôm, crôm, ziriconi… Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axit humic và than đá chúng mang tính axit, các chất có nguồn gốc tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn là những hợp chất cao phân tử. 2.2.5. Các quá trình tách bằng màng Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau. Việc ứng dụng màng để tách các chất phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đó qua màng. Người ta dùng các kỹ thuật như: điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác. Thẩm thấu ngược và siêu lọc là quá trình lọc dung dịch qua màng bán thẩm thấu, dưới áp suất cao hơn áp suất thấm lọc. Màng lọc cho các phân tử dung môi đi qua và giữ lại các chất hoà tan. Sự khác biệt giữa hai quá trình là ở chỗ siêu lọc thường được sử dụng để tách dung dịch có khối lượng phân tử trên 500 và có áp suất thẩm thấu nhỏ (ví dụ như các vi khuẩn, tinh bột, protein, đất sét...). Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để khử các vật liệu có khối lượng phân tử thấp và có áp suất cao. 2.2.6. Phương pháp điện hoá Mục đích của phương pháp này là xử lý các tạp chất tan và phân tán trong nước thải, có thể áp dụng trong quá trình oxy hoá dương cực, khử âm cực, đông tụ điện và điện thẩm tích. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải. Nhược điểm lớn của phương pháp này là tiêu hao điện năng lớn. 2.3. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC Phương pháp xử lí sinh học là sử dụng khả năng sống, hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản vì thế sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Phương pháp xử lý sinh học có thể thực hiện trong điều kiện hiếu khí (với sự có mặt của oxy) hoặc trong điều kiện kỵ khí (không có oxy). Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng để làm sạch hoàn toàn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy phương pháp này thường được áp dụng sau khi loại bỏ các loại tạp chất thô ra khỏi nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Quá trình xử lý sinh học gồm các bước Chuyển hoá các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hoà tan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh. Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải. Loại các bông cặn ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng. 2.3.1. Xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên Để tách các chất bẩn hữu cơ dạng keo và hoà tan trong điều kiện tự nhiên người ta xử lí nước thải trong ao, hồ (hồ sinh vật) hay trên đất (cánh đồng tưới, cánh đồng lọc...). 2.3.1.1. Hồ sinh vật Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxy hoá, hồ ổn định nước thải,... xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác, tương tự như quá trình làm sạch nguồn nước mặt. Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy từ không khí để oxy hoá các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân huỷ, oxy hoá các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không được thấp hơn 6oC. Theo bản chất quá trình sinh hoá, người ta chia hồ sinh vật ra các loại hồ hiếu khí, hồ sinh vật tuỳ tiện (Faculative) và hồ sinh vật yếm khí. a) Hồ sinh vật hiếu khí Quá trình xử lí nước thải xảy ra trong điều kiện đầy đủ oxy, oxy được cung cấp qua mặt thoáng và nhờ quang hợp của tảo hoặc hồ được làm thoáng cưỡng bức nhờ các hệ thống thiết bị cấp khí. Độ sâu của hồ sinh vật hiếu khí không lớn từ 0,5-1,5m. b) Hồ sinh vật tuỳ tiện Có độ sâu từ 1.5 – 2.5m, trong hồ sinh vật tùy tiện, theo chiều sâu lớp nước có thể diễn ra hai quá trình: Oxy hoá hiếu khí và lên men yếm khí các chất bẩn hữu cơ. Trong hồ sinh vật tùy tiện vi khuẩn và tảo có quan hệ tương hổ đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa các chất. c) Hồ sinh vật yếm khí Có độ sâu trên 3m, với sự tham gia của hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí không bắt buộc. Các vi sinh vật này tiến hành hàng chục phản ứng hoá sinh học để phân huỷ và biến đổi các hợp chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản, dễ xử lý. Hiệu suất giảm BOD trong hồ có thể lên đến 70%. Tuy nhiên nước thải sau khi ra khỏi hồ vẫn có BOD cao nên loại hồ này chỉ chủ yếu áp dụng cho xử lý nước thải công nghiệp rất đậm đặc và dùng làm hồ bậc 1 trong tổ hợp nhiều bậc. 2.3.1.2. Cánh đồng tưới - Cánh đồng lọc Cánh đồng tưới là những khoảng đất canh tác, có thể tiếp nhận và xử lý nước thải. Xử lý trong điều kiện này diễn ra dưới tác dụng của vi sinh vật, ánh sáng mặt trời, không khí và dưới ảnh hưởng của các hoạt động sống thực vật, chất thải bị hấp thụ và giữ lại trong đất, sau đó các loại vi khuẩn có sẵn trong đất sẽ phân huỷ chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ. Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng. Phần còn lại chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hoặc bổ sung cho nước nguồn. 2.3.2. Tổng quan về xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo 2.3.2.1. 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. 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 hóa 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 hóa 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… a) 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/ngàyđêm). 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/ngàyđêm. b) Bể lọc sinh học cao tải Bể lọc sinh học cao tải có cấu tạo và quản lý khác với bể lọc sinh học nhỏ giọt, nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối phản lực. Bể có tải trọng 10 – 20 m3 nước thải/1m2 bề mặt bể/ngàyđêm. Nếu trường hợp BOD của nước thải quá lớn người ta tiến hành pha loãng chúng bằng nước thải đã làm sạch. Bể được thiết kế cho các trạm xử lý dưới 5000 m3/ngàyđêm. 2.3.2.2. Bể hiếu khí bùn hoạt tính – Bể 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 trạng thái lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxy cho vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho các vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông 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 hoá chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành các tế bào mới. Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải ban đầu đi vào trong bể không đủ làm giảm nhanh các chất hữu cơ do đó phải sử dụng lại một phần bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy ở bể lắng đợt 2, bằng cách tuần hoàn bùn về bể Aerotank để đảm bảo nồng độ vi sinh vật trong bể. Phần bùn hoạt tính dư được đưa về bể nén bùn hoặc các công trình xử lý bùn cặn khác để xử lý. Bể Aerotank hoạt động phải có hệ thống cung cấp khí đầy đủ và liên tục. 2.3.2.3. Bể sinh học theo mẻ SBR (Sequence Batch Reactor) Hệ thống xử lý sinh học từng mẻ bao gồm đưa nước thải vào bể phản ứng và tạo các điều kiện cần thiết như môi trường thiếu khí (không có oxy, chỉ có NO3-), kị khí (không có oxy), hiếu khí (có oxi, NO3-) để cho vi sinh tăng sinh khối, hấp thụ và tiêu hóa các chất thải hữu cơ trong nước thải. Chất thải hữu cơ (C,N,P) từ dạng hòa tan sẽ chuyển hóa vào sinh khối vi sinh và khi lớp sinh khối vi sinh này lắng kết xuống sẽ còn lại nước trong đã tách chất ô nhiễm, chu kỳ xử lý trên lại tiếp tục cho một mẻ nước thải mới. 2.3.2.4. Quá trình xử lý sinh học kỵ khí: Quá trình xử lý sinh học kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải trong điều kiện không có oxy để tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí CH4 và CO2 (trường hợp nước thải không chứa NO3- và SO42-). Cơ chế của quá trình này đến nay vẫn chưa được biết đến một cách đầy đủ và chính xác nhưng cách chung, quá trình phân hủy có thể được chia ra các giai đoạn như sau: VẬT CHẤT HƯU CƠ PROTEINS HYDROCARBON LIPIDS ACID AMIN / ĐƯỜNG ACID BÉO ACETATE / H2 CH4 / CO2 Thủy phân Acid hóa Acetic hóa Methane hóa Vi khuẩn lipolytic, proteolytic và cellulytic Vi khuẩn lên men Vi khuẩn tạo khí H2 Vi khuẩn methane hóa GIAI ĐOẠN VẬT CHẤT LOẠI VI KHUẨN Hình 2.1. Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí Ở 3 giai đoạn đầu, COD của dung dịch hầu như không thay đổi, nó chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa. Sinh khối mới được tạo thành liên tục trong tất cả các giai đoạn. Trong một hệ thống vận hành tốt, các giai đoạn này diễn ra đồng thời và không có sự tích lũy quá mức các sản phẩm trung gian. Nếu có một sự thay đổi bất ngờ nào đó xảy ra, các giai đoạn có thể mất cân bằng. Pha methane hóa rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH hay nồng độ acit béo cao. Do đó, khi vận hành hệ thống, cần chú ý phòng ngừa những thay đổi bất ngờ, cả pH lẫn sự quá tải. CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật nhỏ bé, có thể tập hợp lại một nhóm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn bào. Có thể nói, phần lớn các vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hoá sinh hoá, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy. Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hoá phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong hệ thống xử lý nước thải phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp; ví dụ với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần có điều kiện thích hợp như: môi trường phải đủ thông thoáng để cung cấp oxy, đủ các chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hoá, có pH phù hợp (6.5 – 9) và không có các chất gây độc. Tuy nhiên không phải các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hoá trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loài sinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽ gay cản trở cho quá trình chuyển hoá và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. 3.1. SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT 3.1.1. Sinh thái, sinh lý vi sinh vật Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các vi sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rõ bằng mắt thường, do đó phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử để quan sát. Ngoài ra, muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới các phương pháp nuôi cấy vô khuẩn. Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây: a) Kích thước nhỏ bé: Vi sinh vật thường đo kích thước bằng micromet. Virut được đo kích thước đơn vị bằng nanomet. Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong một thể tích đơn vị càng lớn. b) Hấp thu nhiều chuyển hoá nhanh: Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thụ và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn, một vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong một giờ có thể phân giải được một lượng đường latose lớn hơn 100 – 10.000 lần so với khối lượng của chúng. Tốc độ tổng hợp protêin của nấm men cao gấp 10.000 lần so với đậu tương và 100.000 lần so với trâu bò. c) Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh: Chẳng hạn một trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12 – 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lay thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt ba lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.633 x 1018 tế bào, tương đương với một khối lượng là 4.722 tấn. Tất nhiên, trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại…). Trong loài lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp, từ một tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 – 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men nhiều hơn, ví dụ với men rượu (Sacharomyces cerecisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ tảo tiểu cầu (Cholorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nosoc là 23 giờ… Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật. Vi khuẩn Escherichia coli Nấm men Saccharomyces Tảo tiểu cầu Nấm sợi Alternaria Hình 3.1. Sự sinh sôi của các vi sinh vật d) Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị: Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện trao đổi chất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật sống ở môi trường nóng đến 130OC, lạnh đến 0 – 5OC, mặn đến nồng độ muối 32%, ngọt đến nồng độ mật ong, Ph thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7; áp suất cao trên 1,3at, hay có nồng độ phóng xạ đến 750.000rad. Nhiều vi sinh vật có thể sống tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ foocmol rất cao… Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống… do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần suất biến dị thường ở mức 10-5 – 10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã tạo một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở thế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như mới phát hiện ra penicillin hoạ tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì ngày nay có thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml. e) Phân bố rộng chủng loại phong phú: Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật… Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá học như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, S, Fe… Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước sông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone). Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là không khí ở Bắc cực, Nam cực… Hầu như không có hợp chất Cacbon nào (trừ kim cương, đá graphit…) mà không là nhóm thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, foocmol, dioxin…). Vi sinh vật rất phong phú các kiểu vi dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hoá tự dưỡng, hoá dị dưỡng, tự dưỡng chất sinh trưởng, dị dưỡng chất sinh trưởng… f) Là sinh vật phát triển đầu tiên trên trái đất: Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỉ name nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống cách đây 3,5 tỷ name. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trên các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện từ những dạng rất giống vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J. William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính đến 1 – 2mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsic có niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm. Vết tích vi khuẩn lam Vết tích Gloeodiniops Vết tích Palaeolyngbya cách đây 3,5 tỷ năm cách đây 3,5 tỷ năm cách đây 950 triệu năm Hình 3.2. Vết tích của một số loài vi khuẩn 3.1.2. Phân loại vi sinh vật Hiện nay có 2 cách phân loại vi sinh vật. Cách theo hệ thống, và cách thứ hai dựa theo cấu tạo của nhân vi sinh vật: Cách phân loại thứ nhất: theo cách phân loại của P.N.Bergey vi sinh vật được xếp trong ngành protophia. Chúng gồm 3 lớp: + Schizomycetes (lớp vi khuẩn) + Schi zophiceae (lớp thanh tảo) + Microtatobiotes (lớp rickettsia và virut) Cách phân loại thứ hai: theo cấu trúc của nhân vi sinh vật, người ta chia làm 2 nhóm lớn: + Nhóm nhân nguyên thuỷ hay nhóm có nhân phân hoá (prokaryotic): bao gồm tất cả vi sinh vật chưa có nhân thực thụ mà chỉ là một vùng sẫm gồm protein và AND. + Nhóm nhân that hay nhóm có nhân thực thụ (eukaryotic): bao gồm tất cả các vi sinh vật có nhân thực. Nhân này được cấu tạo bởi màng nhân, protein và DNA. 3.1.3. Hình thái cấu tạo của vi sinh vật a) Vi khuẩn: 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 – Deferribacteres – Cyanobacteria – Proteobacteria – Firmicues – Actinobacteria – Planctomycetes – Chlamydiae/Nhóm Chlorobia – Fusobacteria – Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hoá, sinh thái… Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong AND người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phyloenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sau đây: Nhóm oxy hoá hydrogen Nhóm chịu nhiệt Nhóm vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục Nhóm Deinococcus Nhóm vi khuẩn lam Nhóm Proteobacteria Nhóm Chlamydia Nhóm Planctomyces Nhóm Spirochaetes (xoắn thế) Nhóm vi khuẩn lưu huỳnh màu lục Nhóm Cytophaga Nhóm vi khuẩn Gram dương. Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thuỷ, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si, Mg. Chúng sinh sôi và nảy nở nhờ hình thức tự nhân đôi. Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, có đường kính 0,5 – 2 micromet và chiều dài từ 1 – 10 micromet. Các vi khuẩn được phân làm 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn cầu, còn gọi là Cocci. Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân huỷ chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hoá, 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 không hoạt động làm thức ăn, nó phân huỷ cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản là cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò tích cực quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân huỷ sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân huỷ hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành qui trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Tất cả các vi khuẩn kí sinh và hoại sinh cần có thức ăn để oxy và đồng hoá. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hoà tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hoá. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hoà tan trong nước. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân huỷ này gọi là quá trình kỵ khí, qua strình này tạo ra các chất có mùi khó chịu. Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxy hoà tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường cso sự thay đổi của oxy hoà tan cảu vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong qui trình phân huỷ chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Peseudomonas Desulfovibrio (phân huỷ dratcacbon, nitrat hoá) (khử sunfat, khử nitrat) Bacillus Nitrosomonas (nitrat hoá) (phân huỷ hydratcacbon, protein) Microthrix parvicella Zoogloea Hình 3.3. Một số vi sinh vật trong xử lý nước thải Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 – 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hoá, một vài trong số chúng là loại gây hại. Có hai loài vi khuẩn có hại có thể phát triển trong hệ thống hiếu khí/thiếu khí. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (filamentous) là các dạng phân tử trung gian, thường kết vứoi nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tích; làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn khác có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng sinh hoá, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các vi sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí và các vi khuẩn khử sunfat. Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, nếu trong nước thải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ cạnh tranh với các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfit. Điều này không những sẽ ảnh hưởng đến sản lượng khí mêtan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi cho quá trình vận hành hệ thống. b) Nấm men: Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổn định, nó phụ thuộc vào tuổi của nấm men và điều kiện nuôi cấy. Thường chúng có hình cầu, hình elip, hình bầu dục và cả hình dài. Một số loài nấm men có tế bào hình dài nối với nhau tạo thành những sợi nấm gọi là khuẩn ty (mycelium) hay khuẩn ty giả (pseudomycelium). Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình của nấm men là: chiều dài 9 – 10 micromet, chiều rộng 2 – 7 micromet. Kích thước của tế bào nấm men thay đổi theo điều kiện nuôi cấy tuổi sinh lý. Hình thức sinh sản của nấm men có 3 hình thức chủ yếu: Sinh sản bằng cách nảy chồi Sinh sản bằng cách phân đôi. Sinh sản bằng bào tử và sự hình thành bào tử. c) Nấm mốc (nấm sợi) Nấm mốc (molds hay mounds) là tên chung chỉ tất cả các vi sinh vật không phải là nấm men cũng không phải là các nấm mũ lớn, được phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Chúng không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật. Do vậy, nấm mốc hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men. Dựa vào cấu tạo của chúng mà người ta chia nấm mốc thành 2 loại: loại nấm mốc có vách ngăn và loại nấm mốc không có vách ngăn. Nấm mốc có vách ngăn: đây là trường hợp mà khuẩn ty được tạo thành do một chuỗi tế bào nối tiếp nhau, ngăn cách hai tế bào và một màng ngăn. Trong mỗi tế bào nấm hầu như có đủ cơ quan của một tế bào, thường thấy ở Aspergillus và penicillium. Nấm mốc không có vách ngăn: đây là những loại nấm mốc đa hạch, trong đó giữa các hạch không có màng ngăn. Sinh sản ở nấm mốc: nấm mốc là một trong những vi sinh vật có nhiều kiểu sinh sản khác nhau: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính. Nói chung, vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác khi cung cấp không đủ oxy và N hoặc pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. d) Virut: Virut là dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé từ 10 – 450nm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào, thành phần hoá học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa AND hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. Hầu như virut có cấu tạo hết sức đơn giản. Toàn bộ tế bào của chúng chỉ được tạo thành từ vỏ protein và lõi là axit nucleic. Chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào của vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn…) và sinh sôi nảy nở trong tế bào các vật chủ này. Virut có nhiều dạng: Virut của động vật có hình cầu, hình trứng (virut đậu gà), hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gay,…; virut thực vật có hình quả cầu hay hình que dài (virut đóm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. e) Xạ khuẩn: Xạ khuẩn là loài vi sinh vật đơn bào phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, cấu tạo tế bào tương tự như tế bào vi khuẩn. Chúng có một số đặc điểm như: có kích thước nhỏ bé và tương đương với kích thước của vi khuẩn, nhưng có chiều dài lớn hơn chiều dài của vi khuẩn; chưa có nhân phân hoá rõ rệt; phân chia tế bào theo kiểu amitose (phân bào vô ty); xạ khuẩn không có giới tính. f) Tảo: Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Tảo chia làm 9 ngành: Tảo lam (Cyanophyta) Tảo lục (Chorophyta) Tảo silic (Diatomeae) Tảo ánh vàng (Chrysophyta) Tảo giáp (Pynophyta) Tảo mắt (Euglenophyta) Tảo roi lệch (Hererocontac) Tảo đỏ (Rhodophyta) Tảo nâu (Phaeophyta) Các loài tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồm các dạng sau: Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyển động, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê. Tế bào thường có tiên mao. Ngoài ra, sự chhuyển động amip thường thấy ở một số tảo mất tiên mao. Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài. Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng và chức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Mặc dù không phải là loài sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic… làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Ascilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu. Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có nhiều mùi khó chịu như mùi cỏ, mùi thối… g) Một số nguyên sinh động vật (protozoa): Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhóm Eukaryotic, với hơn 50.000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong 4 – 500 micromet. Các nhóm động vật nguyên sinh chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là Mastigophara, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella, ví dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, có roi ngắn hơn hay còn gọi là lông mao – cilia, ví dụ như Stalked. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động nhu amip (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống và thức ăn ưa thích của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng. Giardia lambia- cá thể dinh dưỡng dạng roi Amip Hình ảnh về Vorticella Convallaria Hình 3.4. Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải. h) Ricketxi: Theo phân loại của Bergey, Ricketxi được chia làm 2 giống: Rickettsia và Coxiella. Về kích thước nói chung, Ricketxi nhỏ hơn vi khuẩn và lớn hơn virut, chúng có dạng hình que ngắn (0,3 – 0,6 micromet), hình cầu hay hình sợi. Phần lớn Ricketxi có đời sống ký sinh bắt buộc, một số phát triển trong tế bào chất của vật chủ, còn một số khác lại phát triển trong nhân tế bào, và một số chỉ phát triển nơi tiếp giáp giữa nhân tế bào và nguyên sinh chất. Cơ thể Ricketxi chứa khoảng 30% protein, ngoài ra còn có nhiều lipit trung tính, photpholipit và hydratcacbon. Hàm lượng AND thường chiếm 9% so với trọng lượng khô tế bào, còn hàm lượng ARN thì không ổn định. Về hình dáng, kích thước, Ricketxi gần giống với virut, chỉ khác ở cách sinh sản. Ricketxi sinh sản bằng cách phân cách. Ngoài ra trong tế bào của chúng đồng thời có cả AND và ARN. i) Archaea (Cổ khuẩn): Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipid của màng tế bào Archae chứa liên kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó 2 loại lipid chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archaea còn chứa một lượng lớn axit béo không phân cực. Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành methane. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong môi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như nhóm ưa mặn (Halobacteriales) hiện diện trong các môi trường có nồng độ muối cao, không tăng trưởng được khi nồng độ muối thấp hơn 1,5M, tăng trưởng được ở nồng độ muối bão hoà; nhóm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales) thường hiện diện trong những đống thải than đá tự phát nhiệt; nhóm kỵ khí sinh metan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales); và nhóm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt nhiều trong các loại môi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hoá, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. 3.1.4. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn, cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như nước thải có hàm lượng kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc…) Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thuỷ sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân huỷ, chuyển hoá thành vật liệu xậy dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân huỷ các hợp chất nhiễm bẩn trong nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2…). Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hoà tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hoá và đồng hoá. Quá trình dị hoá là quá trình phân huỷ các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào và chuyển vào quá trình phân huỷ nội bào (hô hấp hay oxy hoá tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hoá. Quá trình tự làm sạch trong nước diễn ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hoá học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học diễn ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn: Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. Chuyển hoá các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoạn này có mối quan hệ rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược lại. Phân huỷ các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào vi sinh vật. Quá trình chuyển hoá vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản ứng hoá sinh với hai quá trình đồng hoá và dị hoá, chủ yếu là các phản ứng oxy hoá khử. Mỗi phản ứng oxy hoá đều có enzyme xúc tác thích ứng. Phản ứng dị hoá cắt các chất hữu cơ mạch dài, phân chia các chất hữu cơ phức tạp thành các đoạn đơn giản hơn kèm theo sự giải phóng năng lượng sinh học. Phản ứng đồng hoá thành các chất hữu cơ phức tạp từ các chất hợp phần đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình dị hoá) và cần cấp năng lượng sinh học (thường lấy từ năng lượng được giải phóng của các phản ứng dị hoá). 3.2. SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO SINH HỌC: Sự tăng trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng khối lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC, …) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong cơ thể được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào, và sự thay đổi kích thước tế bào được phản ánh qua sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ… của môi trường thay đổi ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. 3.2.1. Vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải: Các vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải gồm nhiều loại khác nhau như: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động thực vậy. Tuỳ theo công nghệ xử lý mà người ta có thể sử dụng nhóm này hay nhóm khác. 3.2.1.1. Vi sinh vật lên men kỵ khí: Nhiều nghiên cứu đã cho thấy có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí: Giai đoạn thuỷ phân: thuỷ phân các hydratcacbon, protein, lipid thành các monomer để có thể hấp thụ qua màng tế bào bởi các vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện có chứa các hệ men ngoại bào như proteaza, lipaza, cellulaza… Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli, B.subtilus. Giai đoạn lên men axit: nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện việc lean men axit các sản phẩm thuỷ phân thành các chất hữu cơ đơn giản. Trong 3 nhóm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí tuyệt đối và kỵ khí tuỳ tiện thì vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện là nhóm tạo axit chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện phân huỷ protit và vi khuẩn amon hoá axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp, Lactobacillus spp, Desulfovibrio spp, Corynebacterium spp, Actinomyces; Staphylococcus, Escherichia coli. Vài loại vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axit như loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinavulgaris, Escherichia coli. Trong bể phân huỷ kỵ khí còn thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulflovibrio, các vi khuẩn phân huỷ protid tạo hydrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Benicillium, Fusarium, Mucor,… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên axit. Nhưng nhìn chung giai đoạn này vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò chủ yếu còn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. Giai đoạn lên men kiềm: các axit béo dễ bay hơi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân huỷ thành CH4 và CO2 làm cho môi trường trở nên kiềm hoá. Trong giai đoạn chuyển từ lên men axit sang lên men kiềm, các vi sinh vật hiếu khí bị tiêu diệt dần dần và hoàn toàn. Các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc phát triển mạnh và vi khuẩn metan phát triển rất mạnh. Ơ giai đoạn này các vi khuẩn metan đóng vai trò chủ yếu trong sự phân huỷ tiếp các hợp chất hữu cơ. Đây là loại vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối rất khó phân lập. Các vi khuẩn metan hiện đã phân lập là Methanobacterium, Methenosacrina, Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanolthrix. Các loại vi khuẩn CH4 khác nhau chỉ có thể sử dụng một số chất nền nhất định trong môi trường khác nhau làm nguồn dinh dưỡng. 3.2.2.2.Vi sinh vật lên men hiếu khí: a) Tác nhân sinh trưởng lơ lửng: Hệ vi sinh vật trong các quá trình này bao gồm tất cả các loại vi khuẩn và các Eukarya cực nhỏ, có thể phân chia thành 5 nhóm chính: các vi sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hoá, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại. Các vi sinh vật tạo bọt khí: có vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bởi vì nếu không có chúng thì sinh khối không thể được phân chia từ quá trình xử lý nước thải hay các chất ô nhiễm hữu cơ dạng keo không thể bị đào thải. Các vi sinh vật tạo bọt khí thường là động vật nguyên sinh và nấm, chúng làm cho vi khuẩn kết bông lại. Tuy nhiên chiếm ưu thế hơn hẳn vẫn là các vi khuẩn trong đó Zooglea ramigera đóng vai trò khá quan trọng Vi sinh vật hoại sinh: là các vi sinh vật có khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng đầu tiên và hầu hết chúng ở dạng kết chùm. Các vi sinh vật hoại sinh cũng được chia làm 2 loại: phân huỷ sơ cấp và thứ cấp. Loài Saprophytes chủ yếu là các gram âm, ngoài ra còn có Achorombacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus và Pseudomonas. Các vi khuẩn nitrat hoá: thực hiện quá trình chuyển hoá N-NH3 thành N-NO3, và có thể được thực hiện bởi cả hệ vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng. Quá trình nitrat hoá trong hệ thống xử lý nước thải thường được xem là do các vi khuẩn tự dưỡng, đầu tiên có thể kể đến là loài Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrosomonas oxy hoá N-NH3 thành N=NO3 nhưng có kèm theo sản phẩm trung gian, trong khi đó Nitrobacter oxy hoá N=NH3 trực tiếp sang dạng N-NO3. Loài động vật ăn thịt: chính trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng là các động nguyên sinh (protozoa), thức ăn chính của chúng là các vi khuẩn. Có khoảng 230 loài đã được xác định là có tham gia vào quá trình xãy ra trong bùn hoạt tính và chúng có thể tạo ra khoảng 5% sinh khối trong hệ thống. Những loài có roi thường là các động vật nguyên sinh chiếm ưu thế, cả về số lượng lẫn khối lượng sinh khối. Trong một số trường hợp, cả amip và loài có roi có thể hiện diện với số lượng rất nhỏ, nhưng chúng vẫn đóng vai trò hết sức quan trọng cho quá trình lắng đọng và ổn định hệ thống. Các sinh vật gây hại: trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, vấn đề phát sinh nhiều nhất là việc loại bỏ sinh khối từ nước thải đã qua xử lý, nguyên nhân chính là do các vi khuẩn dạng sợi và các loại nấm. Các vi khuẩn dạng sợi tồn tại với số lượng nhỏ là điều rất tốt, giúp ổn định các phân tử bọt nhưng nếu số lượng quá lớn thì lại là điều không tốt. Loài vi khuẩn tiêu biểu là Sphaerotilus natans. Một tác nhân gây hại nữa trong sinh trưởng lơ lửng là việc thừa bọt trong hệ thống. Điều này gây ra trước hết là do vi khuẩn Nocardia và các loài Microthrix pavicella. Vì Nocardia và Microthrix pavicella là các tế bào không ưa nước trên bề mặt, chúng tạo ra các bong bóng trên mặt nước nơi chúng ở, vì vậy tạo ra bọt khí và gây ra hiện tượng dư bọt. Các tác động này cũng tạo ra tương tự vùng thiếu oxy trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng kéo theo sự gia tăng của vi khuẩn khử nitrat hoá. Quá trình này có thể được hoàn toàn bởi một số lượng lớn các vi khuẩn tìm thấy trong hệ thống xử lý nước bao gồm: Aerobacter, Alcaligenous, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, và Pseudomonas. b) Vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính: Thành phần vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính chứa 70-90% chất hữu cơ; 10-30% chất vô cơ. Vi khuẩn, nấm, Protozoa, rotifer, metazoan hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính. Vi khuẩn chiếm ưu thế (90%) trong hệ thống xử lý. Sự phát triển của vi khuẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trường , các yếu tố về thiết kế, vận hành hệ thống và tính chất của nước thải. Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0.3-1µm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tuỳ nghi và vi khuẩn kị khí. Một số vi khuẩn dị dưỡng thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Citromonas, Flavobacterium, và Zoogloea. Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hoá ammoniac thành nitrat là: vi khuẩn Nitrobacter và Nitrosomonas. Nấm: là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính, các vi sinh vật đa bào này tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong môi trường hoạt động. Chỉ có một lượng nhỏ nấm có khả năng oxy hoá NH3 thành nitrit và nitrat. Các loại nấm thông thường là: Sphaerotilus natans và Zoogloea sp. Protozoan: là vi sinh vật có kích thước 10-100 µm được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính. Đây là nhóm vi sinh vật chỉ thị cho hoạt động của hệ thống xử lý nước thải. Trong hệ thống bùn hoạt tính, protozoan được chia làm 4 nhóm chính: protozoa, amip, flagellates, và ciliates ( dạng bơi tự do, dạng bò trường, dạng có tiêm mao). + Amip: thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng không tồn tại lâu tại các bể hiếu khí. Amip chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu khí có tải cao. Chúng di chuyển chậm và khó cạnh tranh thức ăn, nhất là khi nguồn thức ăn bị hạn chế, nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể hiếu khí trong một thời gian ngắn. Thức ăn của Amip là các chất hữu cơ kích thước nhỏ. Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện nhiều Amip chứng tỏ đang bị sốc tải. Khi đó DO thấp (Amip tồn tại được lâu trong môi trường có DO thấp). + Flagellates: ngay sau khi amip bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn còn chứa một lượng chất hữu cơ cao, thì flagellates xuất hiện. Phần lớn Flagellates hấp thụ các chất dinh dưỡng hoà tan. Cả Flagellates và vi khuẩn đều sử dụng chất hữu cơ. Tuy nhiên, khi thức ăn giảm Flagellates khó cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng. Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định, điều này chứng tỏ nước thải vẫn còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ hoà tan. + Ciliates: thức ăn của Ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng. Ciliates cạnh tranh nguồn thức ăn với Rotifer. Sự hiện diện của Ciliates chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo bông và phần lớn các chất hữu cơ đã được loại bỏ. Có 3 loại Ciliates : các Ciliates bơi tự do xuất hiện khi Flagellates bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của Ciliates bơi tự do này. Các loài Ciliates trườn, bò: khi thức ăn bùn lớn và ổn định, loài Ciliates này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loài Ciliate bơi tự do là nhờ vào khả năng này. Các Ciliate có tiêm mao: xuất hiện ở bùn đã ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các loài Ciliate trườn, bò cạnh tranh nhau về thức ăn. Ciliates hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính là: Aspidisca costata, Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta và O.microdiscum, Trachelophyllum pusillum, Vorticella convallaria và V.microstoma. Ciliates có nhiệm vụ loại bỏ E.coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm. Trong thực tế,bùn hoạt tính có thể khử 91-99% E.coli. + Rotifer: là động vật đa bào có hai bộ tiêm mao chuyển động xoay tròn, làm cho hình dạng của chúng như hai bánh xe xoay đối nhau. Chúng di động nhanh trong nước, có khả năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguồn thức ăn, giống như Protozoa. Đây là vi sinh vật hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của nước thải. Chúng thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định, nước có hàm lượng hữu cơ thấp. Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong hệ thống xử lý nước thải. Vai trò chính của Rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn. Chính Rotifer sử dụng vi khuẩn không tạo bông, làm giảm độ đục của nước thải. Các màng nhầy được Rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bông dễ dàng. Rotifer can thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý. Rotifer phát triển trong bùn cũ và điều kiện oxy đầy đủ. Nhạy cảm với độc tố và sự thay đổi thành phần nước thải. Virut: cũng được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính và việc loại bỏ virut nhờ cơ chế đối kháng sinh học, sự hấp phụ, quá trình khử các chất lơ lửng, các chất keo, quá trình thổi khí,… Sau đây là bảng tóm tắt một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng chính của chúng khi tham gia xử lý nước thải: Bảng 3.1. Chức năng của một số vi khuẩn trong bùn hoạt tính STT Vi khuẩn Chức năng 1 Pseudomonas Phân huỷ hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ….và khử nitrat 2 Arthrobacter Phân huỷ hydratcacbon 3 Bacillus Phân huỷ hydratcacbon, protein…. 4 Cytophaga Phân huỷ polimer 5 Zoogloea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích luỹ poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hoá 8 Nitrobacter Nitrat hoá 9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân huỷ protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân huỷ protein 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat (khử nitrat thành N2) 13 Thiobaccillus denitrificans 14 Acinetobacter 15 Hyphomicrobium 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat c) Tác nhân sinh trưởng bám dính: Các vi khuẩn tạo thành bazơ từ chuỗi thức ăn thông qua hoạt động của chất hữu cơ trong nước thải đã được xử lý. Các chất hoà tan tăng lên một cách nhanh chóng trong khi các phân tử keo bị suit giảm tạo thành các lớp sệt. Tại đó, chúng trải qua quá trình gắn kết với enzyme ngoại bào, giải phóng một lượng nhỏ phân tử mà chúng chuyển hoá được. Hệ vi khuẩn gồm có thức vật hoại sinh sơ cấp và thứ cấp, giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bao gồm các loài: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Pseudomonas, Sphaerotilus và Zooglea. Tuy nhiên không hoàn toàn giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, sự phân bố các loài này có thể thay đổi vị trí trong các phản ứng. Tác nhân sinh trưởng bám dính cũng bao gồm vi khuẩn nitrat hoá, như các loài Nitrosomonas và Nitrobacter, thường được phát hiện ở những vùng có nồng độ các chất hữu cơ lơ lửng thấp. d) Vi sinh vật trong các hồ ổn định: H.F.Ludwig et al., 1951 đã xác định các vai trò của tảo trong hệ thống các hồ ổn định. Những nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng Euglena gracilis, một loại tảo lục có thể di chuyển được và Cholerella pyrenoidosa, loại tảo lục không di chuyển, rất thường thấy trong các hồ ổn định ở California. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vi khuẩn đã chuyển hoá các hợp chất hữu cơ trong nước thải cùng với việc tạo thành CO2 để tảo sử dụng cho việc tổng hợp tế bào của chúng. Năm 1953, P.C.Silva và G.F.Papenfus tiến hành nghiên cứu trên 8 hồ ổn định và nhận thấy, Euglena, Chlorella, Chlamydomonas và Scenedesmus là các loài tảo lục phổ biến nhất. Loài tảo xanh lục gồm: Oscillatoria, Anabaena, và Microcystis. Và loài tảo cát phổ biến là Navicula. Một nghiên cứu khác của Gann et al., cũng chỉ ra rằng các loài vi khuẩn phổ biến trong hồ ổn định thường là các vi khuẩn trong đất: Achromobacter, Flavobacterium và Bacillus. Sự tăng trưởng của các vi khuẩn và Chlorella sẽ kích thích sự tăng trưởng của Protozoa có mao bơi tự do: Paramecium, Glaucoma và Colpidium, dưới điều kiện hiếu khí. Protozoa trườn, bò, Euplotes và Protozoa có tiêm mao, Vorticella cũng có thể được tìm thấy với số lượng lớn trong hồ ổn định. Các Rotifer: Epiphanes, Philodina và Proales cũng có thể tăng trưởng trong môi trường hiếu khí. Các loài giáp xác: Monia và Daphnia có thể xuất hiện với số lượng lớn vào mùa xuân và có thể loại bỏ hoàn toàn một lượng lớn các loài tảo ra khỏi hồ, Diaptomus và Cyclops cũng được tìm thấy với số lượng khác nhau. 3.3. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 3.3.1. Quá trình phân hủy hiếu khí Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinhvật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kị khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn vận tốc hòa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần có trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần. Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 - 400C, tối ưu là 25 - 300C. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Oxy hóa chất hữu cơ CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Giai đoạn 3: Oxy hóa chất liệu tế bào C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH2 ± ∆H Động học của quá trình xử lý hiếu khí: Sự phát triển của vi sinh vật: Sự tăng trưởng của vi sinh vật theo dạng đường cong ABCDE A B C D E Thời gian Mật độ TB . . . . . Hình 3.5. Sự phát triển của vi sinh vật Quá trình sinh trưởng chia thành các giai đoạn sau: (a) Giai đoạn tiềm phát (AB) (giai đoạn sinh trưởng chậm) Vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với môi trường và ở cuối giai đoạn này vi sinh vật mới bắt đầu phát triển và khi đó các tế bào mới tăng về số lượng nhưng chủ yếu kích thước tế bào phát triển còn số lượng tăng không đáng kể X = X0, (X: sinh khối vi sinh vật, mg/l) (b) Giai đoạn lũy tiến (BC) (giai đoạn tăng trưởng logarit) Vi sinh vật phát triển theo hàm logarit và tốc độ tăng trưởng riêng đạt giá trị cực đại. Trong suốt thời kỳ này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản, khả năng thu nhận và đồng hóa thức ăn. (c) Giai đoạn phát triển ổn đinh (CD) (giai đoạn cân bằng) Số lượng tế bào vi sinh vật được giữ ở mức không đổi (số lượng tế bào mất đi bằng số lượng tế bào mới sinh ra). Tính chất sinh lý tế bào vi sinh vật thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. (d) Giai đoạn suy vong (DE) (giai đoạn tự chết) Trong giai đoạn này tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần tốc độ chết vượt xa tốc độ sinh sản. Tốc độ tăng trưởng riêng Nồng độ cơ chất Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí diễn ra có hiệu quả thì ta phải đảm bảo các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, các chất dinh dưỡng, trong môi trường phải không có các chất độc, đảm bảo điều kiện tốt nhất cho hệ vi sinh. Tốc độ tăng trưởng tế bào [2]: : tốc độ tăng trưởng riêng KS: hằng số bán bão hòa = f (T, pH, các chất độc…) max : tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (s-1, ngày-1) S: nồng độ cơ chất (mg/l) X: nồng độ sinh khối vi sinh vật (mg/l) Sự tăng trưởng của tế bào và việc sử dụng chất nền [2]: Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và liên tục, một phần cơ chất được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hóa thành các chất vô cơ. Do các tế bào mới phải tiếp tục sử dụng các chất nền có trong nước thải và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập được quan hệ giữa sự tăng trưởng của tế bào và viếc sử dụng chất nền. Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (là tỉ số giữa khối lượng tế bào với khối lượng chất nền được tiêu thụ trong một đơn vị thời gian nhất định ở pha sinh trưởng logarit) rsu: tốc độ sử dụng chất nền (mg/l.s), (mg/l.ngày) Với : tốc độ sử dụng chất nền cực đại trên một đơn vị sinh khối Ảnh hưởng của hô hấp nội bào: Trong các công trình xử lý nước thải, không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều có tuổi như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có những tế bào già, chết và sinh trưởng chậm. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật ta phải xét đến tổ hợp các hiện tượng này và ta giả thiết sự giảm khối lượng của tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỷ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải. Ta gọi sự giảm khối lượng này là hô hấp nội bào. Tốc độ hô hấp nội bào [2]: Kd: hệ số phân hủy nội bào (1/ngày) X: nồng độ sinh khối (mg/l, g/m3…) Kết hợp với quá trình phân hủy nội bào, tốc độ tăng trưởng thực của tế bào: rg’: tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn Tốc độ tăng trưởng riêng thực: (1/ngày) Tốc độ tăng sinh khối của bùn hoạt tính: Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng sinh hóa của quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình truyền tải oxy vào trong nước, quá trình trao đổi chất và quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn theo công thức [2]: K20: tốc độ phản ứng ở 200C KT: tốc độ phản ứng ở T0C : hệ số nhiệt (=1,047) 3.3.2. Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải sẽ bắt đầu sinh trưởng và phát triển. Trong nước thải bao giờ cũng có những hạt chất rắn lơ lững khó lắng, các chất này sẽ là nơi dính bám của vi khuẩn và phát triển thành những bông cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ trong nước. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo thì chúng sẽ lơ lững trong nước và lớn lên dần do quá trình hấp thụ nhiều chất lơ lững nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật, chất độc có trong nước. Khi ngừng thổi khí hay nguồn chất dinh dưỡng trong nước cạn kiệt thì những bông cặn này sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn, bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại tạo thành bông với nhân trung tâm là chất lơ lững có trong nước. Bông này có màu nâu kích thước từ 2 -150mm. Bông này gồm có vi sinh vật sống và cặn (chiếm khoảng 20 - 40% thành phần cấu tạo bông, nếu trong môi trường hiếu khí và khuấy trộn đều thì hàm lượng cặn chỉ còn 20%). Vi sinh vật ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh… Các chất keo dinh trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lững, vi khuẩn, chất màu, mùi trong nước thải làm cho hạt bùn lớn dần và đồng thời lượng bùn cũng tăng dần rồi từ từ lắng xuống đáy (bùn hoạt tính khi lắng xuống tạo thành bùn già và hoạt tính trở nên giảm, tuy nhiên nếu được hoạt hóa trong môi trường thích hợp thì chúng có thể khôi phục trở lại). Kết quả nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn, nước thải được làm sạch. Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông của bùn. Bông tạo ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần. Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảm dần năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫn nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kết dính tế bào vi khuẩn với nhau. Trong bùn hoạt tính ta còn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh loài và quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh. Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hòa tan trong nươc, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH, chất dinh dưỡng trong nước. Khi cân bằng dinh dưỡng ta có thể sử dụng Urê, NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phothat, supephotphat làm nguồn cung cấp P. Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ N trong muối amôn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l. Nếu 500 < BOD <1000 mg/l thì chọn thông số tương ứng là 25 và 8mg/l. Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vật hấp thụ và đồng hóa. Nguồn N (dạng NH4+) và P (dạng photphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất cho vi sinh vật. Ngoài ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng như nguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Nếu thiếu N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hóa – khử trong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật không sinh sản, không tăng sinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hóa làm bùn khó lắng. Thiếu P làm xuất hiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hóa chất hữu cơ của bùn hoạt tính giảm. Các vi sinh vật trong bùn chủ yếu là 4 lớp protozoa: Sacrodina, Mastgophora, Ciliata, Suctoria hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sacrodina. 3.3.3. Sinh trưởng bám dính – màng sinh học Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính bám trên bề mặt giá đỡ. Trong số các vi sinh vật, có một số sinh vật có khả năng tạo ra polysacrit, chất này có tính dẻo hay còn gọi là polyme sinh học, chất này tạo thành màng sinh học. Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ. Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ có trong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngoài ra màng còn có tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán… Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa chất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng. Màng này thường dày từ 1 – 2mm và có thể dày hơn nữa. Màu của màng có thể thay đổi, tùy theo thành phần của nước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong qui trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kích thước từ 15 – 20 mm có màu vàng xám hay màu nâu. Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát hay sỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ. Chiều dày của lớp cát thường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ… giữa chúng sẽ tạo thành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất về thành phần loài và số lượng sinh vật. Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước, các chất hữu cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời số lượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh. Chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được phân giải sau với tốc độ chậm hơn. Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều loài vi sinh vật, ngoài vi sinh vật hiếu khí còn có vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Ở lớp ngoài cùng màng là lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus. Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và khử nitrat. Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự có mặt của nguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu làm chất màng. Quần thể vi sinh vật của màng có tác dụng như bùn hoạt tính. Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới cùng là ít nhất. Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của quá trình biến đổi kị khí là alcol, axit hữu cơ…. Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật khác hấp thụ vì vậy mà không ảnh hưởng lớn đến màng lọc. Với đặc điểm như vậy mà màng lọc có thể oxy hóa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nước qua màng lọc chậm dần từ đó phin lọc làm việc có hiệu quả hơn. Nếu lớp màng quá dày thì ta có thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiên hiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khôi phục trở lại. Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn. Hiệu quả của phin lọc có thể giữ đuợc 99% vi khuẩn. Quá trình phân hủy kị khí: Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện không có oxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kị khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí là axit hữu cơ, các ancol cuối cùng là NH3, H2S và chủ yếu là CH4, vì vậy mà quá trình này còn gọi là quá trình lên men kị khí sinh mêtan hay lên men mêtan. Quá trình phân hủy kị khí gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản, protein bị thủy phân thành albomoz, pepton, peptic, axit amin, chất béo thủy phân thành glyxerin và axit béo. Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thủy phân này tiếp tục phân hủy tạo thành khí CO2, CH4 ngoài ra còn có một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Các hydratcacbon bị phân hủy sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành CO2, CH4. Các hợp chất hữu cơ hòa tan bị phân hủy gần như hoàn toàn (axit béo tự do hầu như phân hủy gần 80-90%, axit béo loại este phân hủy gần 65-68%). Riêng hợp chất chứa lignin là chất khó phân hủy nhất, chúng là nguồn tạo ra mùn. Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kị khí, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CH4 chiếm 60 -75%. Quá trình lên men mêtan gồm 2 pha điển hình: pha axit và pha kiềm. Ở pha axit, hydratcacbon (xenlulozơ, tinh bột, các loại đường…) dễ bị phân hủy tạo thành axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axetic…). Một phần chất béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường có thể thấp hơn 5 và xuất hiện mùi hôi. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục phân hủy thành những hợp chất amôn, amin, muối của axit cacbonic và tạo thành một số khí như CO2, N2, CH4, H2, H2S, indol, mecaptan gây mùi khó chịu, lúc này pH của môi trường bắt đầu tăng chuyển sang trung tính và sang kiềm. Ở pha kiềm, đây là pha tạo thành khí CH4. Các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho quá trình lên men mêtan và tạo thành CH4, CO2. pH của pha này chuyển hoàn toàn sang môi trường kiềm. Quá trình thủy phân các chất hữu cơ trong môi trường kị khí là quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều vi sinh vật kị khí. Nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kị khí là 10 - 150C, 20 - 400C và trên 400C. thời gian lên men kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, nếu ở nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài hàng tháng. CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN 4.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN Dựa trên đặc trưng nước thải thủy sản đã tìm hiểu ở Chương 1 đề tài nhận thấy nước thải