Luận văn Nghiên cứu vai trò của vi sinh vật trong quá trình xử lí nước thải trên mô hình hợp khối aeroten và lọc sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Anh Dũng NGHIÊN CỨU VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÍ NƯỚC THẢI TRÊN MÔ HÌNH HỢP KHỐI AEROTEN VÀ LỌC SINH HỌC. LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 Mở Đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Sự sống xuất hiện trên hành tinh chúng ta bắt nguồn từ nước, đó là những giọt coaxecva cho đến những động vật đơn bào hay đa bào. Con người cũng không nằm ngoài quy luật tiến hóa đó nên muốn tồn tại thì nước là nhu cầu hàng đầu bên cạnh những nhu cầu khác. Chính vì vậy với tình trạng tăng dân số cùng sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhất là những nghành chế biến, sản xuất cũng như nhịp độ đô thị hóa đã và đang gây sức ép vô cùng to lớn đến quỹ nước của hành tinh chúng ta. Cùng với xu thế phát triển của thế giới, ngày càng nhiều những đô thị mới cùng những khu công nghiệp mới mọc lên thu hút hàng triệu công nhân lao động, chính vì vậy, nhu cầu sử dụng nguồn nước cho sinh hoạt và sản xuất ngày càng gia tăng. Điển hình là TP. Hồ Chí Minh, một đô thị được đánh giá là đô thị lớn nhất nước ta với khoảng 8,5 triệu người, hàng chục khu công nghiệp và hàng trăm những xí nghiệp nằm rải rác trong thành phố nên nhu cầu sử dụng nước là vô cùng lớn. Tuy nhiên, một thực tế là phần lớn những xí nghiệp vẫn chưa trang bị hệ thống xử lí nước thải. Nước thải sinh hoạt thì cũng chỉ xử lí sơ sài qua các bể tự hoại. Những nguồn nước thải này không được xử lí tiếp tục hay có xử lí nhưng chưa đạt yêu cầu xả thải nhưng vẫn thải trực tiếp thông qua hệ thống cống rãnh rồi vào những hệ thống kênh rạch gây ô nhiễm trầm trọng (kênh Tàu Hủ, kênh Nhiêu Lộc, kênh Tân Hóa, kênh Ba Bò…) mà gần đây báo chí gọi đây là những dòng kênh bị bức tử. Chính vì thực tế trên mà công tác xử lí nước thải đang được đẩy mạnh ở TP. Hồ Chí Minh, nhiều công trình và giải pháp đang được triển khai trên địa bàn thành phố. Một trong những biện pháp trên thì phương pháp xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học hiếu khí nhân tạo được xử dụng rộng rãi và có hiệu quả nhất. Đề tài “ Nghiên cứu vai trò của vi sinh vật trong quá trình xử lí nước thải đô thị trên mô hình hợp khối aeroten và lọc sinh học” nhằm góp một phần nhỏ làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường ở thành phố Hồ Chí Minh. 2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu quy trình làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy nhờ vi sinh vật trong nước thải đô thị trên kênh Tân Hóa. Bước đầu xử lí chất bẩn chứa Nitơ và Photpho bằng phương pháp bùn hoạt tính và màng sinh học dựa trên mô hình hợp khối. 3. Nội dung đề tài - Phân tích các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá sự ô nhiễm của nước thải ở khu vực nghiên cứu. - Chế tạo mô hình hợp khối 50 lít dùng trong xử lí nước thải. - Nghiên cứu quá trình làm việc ổn định theo mẻ của mô hình hợp khối. - Nghiên cứu số lượng, thành phần, hoạt tính sinh học của vi khuẩn trong bùn lơ lửng và màng sinh học. - Nghiên cứu quá trình làm việc ổn định theo dòng của mô hình hợp khối. - Khảo sát khả năng xử lí Nitơ của vi khuẩn trong bùn hoạt tính và màng sinh học. Chương 1: Tổng quan tài liệu 1.1. Nước thải Nước thải nói chung là nước đã qua sử dụng vào các mục đích khác nhau của con người như sinh hoạt, tưới tiêu, dịch vụ, chế biến công nghiệp, chăn nuôi…. Những nguồn nước này sau khi đã qua sử dụng được thải ra môi trường và bị thay đổi nhiều so với tính chất ban đầu của chúng. Sự thay đổi này thường là làm cho chúng bẩn hơn so với ban đầu.[14] 1.1.1. Các chất gây nhiễm bẩn trong nước thải Trong nước thải có rất nhiều chất gây bẩn, tùy theo bản chất của chúng mà chia hành hai loại là chất vô cơ và chất hữu cơ. 1.1.1.1. Chất hữu cơ. Trong nước thải thì nguồn chất hữu cơ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm. Trong nước tự nhiên thì hàm lượng chất hữu cơ là rất thấp nhưng trong nguồn nước đã qua xử dụng thì hàm lượng chất hữu cơ là rất cao. Tùy vào khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật mà người ta chia chất hữu cơ thành các dạng chính khác nhau.[ 5, 14, 23] a. Chất hữu cơ dễ phân hủy Là những hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc từ động vật và thực vật….Những chất hữu cơ dễ phân hủy này thường gặp nhiều trong nước thải của những nhà máy chế biến hay từ nước sinh hoạt hằng ngày của khu dân cư…Những chất này thường gặp trong xác bã động thực vật hay từ phân của con người.[5, 14, 24] b. Chất hữu cơ khó phân hủy Các chất này là những chất hữu cơ Clo vòng thơm như hydrocacbua của dầu khí, các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phospho hữu cơ…[5, 14, 24] c. Hợp chất hữu cơ có độc tính cao Những chất hữu cơ có độc tính cao có thường gặp trong những nguồn nước thải của nông nghiệp, lâm nghiệp dùng nhiều thuốc bảo vệ thực vật hay nguồn nước thải của những nhà máy chưng cất dầu mỏ, nhà máy hóa chất, phân bón, acquy – chì .v.v…[5, 14, 24] + Các hợp chất của phenol PCP (pentaclorophenol) gây độc cho quá trình hô hấp ( WHO đã quy định hàm lượng 2,4 triclophenol và PCP với nước uống là < 1µg/l, và FAO đã quy định <5mg/l với nước nuôi trồng thủy sản).[5, 11,14] + Các chất bảo vệ thực vật Người ta thường chia thành thuốc diệt sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc chống vi khuẩn, thuốc diệt nấm mốc, thuốc diệt loài gặm nhấm… WHO đã quy định hàm lượng cho phép các chất bảo vệ thực vật trong nước uống và FAO quy định nồng độ cho phép các chất bảo vệ thực vật trong nước nuôi trồng thủy sản: hàm lượng tổng cộng Clo hữu cơ <0,1µg/l và phospho hữu cơ < 0,2µg/l,[5, 11, 14]. + Các hợp chất cacbuahydro Là thành phần chủ yếu của dầu mỏ, khí đốt, chúng có thể là những hợp chất no hay không no, có mạch vòng hay mạch nhánh…,[5, 11,14]. + Xà phòng và chất tẩy rửa Chúng thường là những muối của acid béo bậc cao như natri stearat xử dụng như tác nhân làm sạch. Xà phòng không phải là tác nhân gây ô nhiễm cơ bản cho nước. Tuy nhiên, các chất tẩy rửa và xà phòng hàng năm được sản xuất tới 25 triệu tấn/năm nên cho dù chúng ít gây độc cho con người và các sinh vật nhưng cũng gây ảnh hưởng nhiều đến chất lượng nước. Mặt khác trong xà phòng cũng có nhiều polyphotphat nên khi chúng phân hủy thì làm thực vật thủy sinh trong nước phát triển mạnh, [5, 11,14, 24, 34]. + Tanin và lignin Đây là hai chất có nguồn gốc thực vật, chúng có nhiều trong nước thải của nhà máy thuộc da và nhà máy giấy. Các chất này làm cho nước có màu nâu hay đen, có độc tính cao với thực vật thủy sinh gây ô nhiễm nhiều đến chất lượng nước, [5, 11,14]. 1.1.1.2. Các chất vô cơ Trong nước thải thường chứa nhiều chất vô cơ tùy thuộc vào nguồn nước thải. Ngoài ra trong nước thải còn chứa nhiều kim loại nặng có độc tính cao. a. Các chất chứa Nitơ Các chất chứa Nitơ này là những chất ở các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy protein trong nước thải. + Amoniac Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, ammoniac hay NH4OH thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây độc với cá và sinh vật trong nước. Trong nước thì NH3 tồn tại ở hai dạng là NH3 và (NH4)+ tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một base yếu. Cùng với photphat thì ammoniac làm thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước. Trong nước thải sinh hoạt và nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm có hàm lượng amon cao 10 – 100mg/l, [5, 11, 14, 24]. + Nitrit và nitrat Nếu trong nước có hợp chất Nitơ chủ yếu là nitrit là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa hợp chất Nitơ ở dạng nitrat chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc. Nitrat sẽ bị phản nitrat do các vi sinh vật thực hiện thành khí NO, N2O… Nitrat thường có nồng độ 10mg/l ở nước bị ô nhiễm do chất thải hay phân bón làm cho rong tảo dễ phát triển. Nitrat khi vào cơ thể sẽ kết hợp với một số chất tạo thành nitroso là chất có khả năng gây ung thư. Nếu nồng độ cao trong máu thì có thể gây bệnh thiếu máu, [5, 11, 14, 24]. b. Các chất chứa Photpho Photpho trong nước thường ở dạng ortho là muối photphat của acid photphoric : (H2PO4)-, (HPO4)2-, (PO4)3- từ xác động vật thối rữa hay là phân bón. Ngoài ra photphat trong nước còn là do những chất tẩy rửa có cứa polyphotphat. Bản thân photphat không phải là chất gây độc nhưng trong nước thì nó là nguyên nhân gây nước nở hoa. .[5, 11, 14, 24] c. Các kim loại nặng Trong nước thải có thể chứa kim loại nặng có độc tính cao với người và động vật như: chì (Pb), thủy ngân (Hg), Asen (As), Crom (Cr), Cadimi (Cd)…Trong đó chì và thủy ngân là hai kim loại nặng rất nguy hiểm thường xuất hiện trong nước thải, [ 14]. Chì có khả năng thâm nhập vào cơ thể sinh vật và tích tụ lại, đặc biệt là ở thực vật thủy sinh thì chì có thể tích lũy lại với hàm lượng rất cao. ở người hay động vật thì chì ít gây độc cấp tính mà tích lũy lại ở xương trong thời gian dài, khi đạt đến nồng độ nhất định thì gây độc bằng cách gây ức chế hệ enzyme trong quá trình trao đổi chất của hồng cầu, gây ảnh hưởng đến não và thậm chí có thể gây chết người. Chì trong các hợp chất hữu cơ thì gây độc gấp 100 lần so với hợp chất vô cơ chứa chì, [ 5, 11, 14, 23]. Thủy ngân có thể xâm nhập vào cơ thể thông qua nước uống và thực phẩm có nhiễm thủy ngân. Độc tính của thủy ngân gây ra với con người cũng là do tác dụng kìm hãm hoạt tính của hệ enzyme vì nó kết hợp với nhóm sulfohydryl của protein. Ngoài ra thủy ngân còn phá hoại màng sinh học và làm giảm lượng acid ribonuleic trong tế bào. Đối tượng chính gây hại của thủy ngân là hệ thần kinh trung ương gây mất khả năng tập trung và tính tình thất thường, [ 5, 11, 14, 23]. d. Một số chất khác Trong thành phần của nước thải còn có một số chất khác là những kim loại hay những gốc của các muối hòa tan như : Đồng (Cu), Niken (Ni), Kẽm (Zn), Bari (Ba), Bo (B), Molipden (Mo), Antimon (Sb+), Sulphat (SO4)2-, Xianua (CN-), Hidrosulfua H2S.v.v… Trong đó CN- là rất nguy hiểm, gốc này tồn tại ở dạng muối của acid xianic, muối này có độ bền rất kém và yếu hơn cả muối của acid cacbonic. Xianua có thể kết hợp với đường trong hoa quả, củ gây ra vị đắng trong các hạt táo, mơ, đào…, [ 14, 23]. Xianua tự do có độc tính cao hơn so với ở dạng hợp chất, chúng có khả năng tạo phức bền với các loại enzyme chứa sắt, nó cũng có khả năng tấn công vào liên kết disulfide trong mạch của phân tử protein. Do sự phong tỏa enzyme chứa sắt cytochrom – oxidase dẫn đến quá trình ngừng hô hấp. Nồng độ cho phép của WHO với xianua trong nước uống là 70µg/l, còn với các nước EU là 50µg/l,[ 14, 23]. 1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải 1.1.2.1. Chỉ số COD ( nhu cầu oxi hóa học – Chemical Oxigen Demand) Chỉ số này dùng để xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên. COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước. Để xác định chỉ số này người ta thường dùng những chất có tính oxi hóa mạnh trong môi trường acid như kali penmanganat (KMnO4) hay kali bicromat ( K2Cr2O7), trong hai chất trên thì kali bicromat thường được dùng nhiều hơn vì cho kết quả chính xác hơn, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.1.2.2. Chỉ tiêu BOD ( Nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical Oxigen Demand) Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước nhờ vi sinh vật. Các vi sinh vật tham gia chính ở đây là những vi khuẩn hoại sinh và quá trình này gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Chất hữu cơ + O2+ vi sinh vật CO2 + H2O + sinh khối vi sinh vật. Như vậy, thông qua BOD ta biết những chất hữu cơ dễ phân hủy hay nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật có trong nước thải. Thời gian để vi sinh vật trong nước sử dụng hết những chất hữu cơ này cũng kéo dài khoảng vài chục ngày hay dài hơn là tùy thuộc vào những điều kiện khác nhau. Thông thường thì 70% nhu cầu oxi sinh học được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo và 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Việc xác định BOD rất quan trọng trong việc tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải, làm cơ sở tính toán các công trình xử lí, xác định hiệu suất của một số quá trình. Trong xử lí nước thải thì người ta thường xử dụng một chỉ tiêu là BOD5 là lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC trong bình tối. Sau khi đã biết được BOD5 thì sẽ biết được BOD20 bằng cách chia cho hệ số biến đổi 0,68 hay dùng công thức tính BODt = Lo ( 1 – e-kt) Trong đó: BODt : BOD tại thời điểm t ngày Lo : BOD cuối cùng k : Tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số e BOD5 thích hợp cho những nước ôn đới có nhiệt độ thấp nhưng ở những nước nhiệt đới thì thường dùng chỉ số BOD3 là lượng oxi cần thiết trong 3 ngày đầu khi ủ ở nhiệt độ 30oC. COD và BOD đều là các chỉ số định lượng chất hữu cơ có trong nước thải có khả năng bị oxi hóa. Nhưng COD cho thấy toàn bộ chất hữu cơ có trong nước bị oxi hóa bằng nhân tố hóa học còn BOD thì chỉ thể hiện cho những chất hữu cơ dễ phân hủy có khả năng oxi hóa bằng tác nhân là vi sinh vật. Vì vậy tỉ số của COD/ BOD là luôn ≥ 1, tỉ số này càng cao thì nước ô nhiễm càng nặng. Nếu COD/BOD ≤ 2 thì có khả năng xử lí nước bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nếu tỉ số này quá cao thì phải xử lí bằng phương pháp kị khí hay phương pháp hóa lý trước, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.1.2.3. Oxi hòa tan ( DO – Dissolved Oxigen) Lượng oxi hòa tan trong nước rất cần cho các sinh vật hiếu khí, thường thì oxi hòa tan trong nước khoảng 8 – 10mg/l, chiếm 70 – 85% khí oxi bão hòa. Sự hòa tan của oxi trong nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, hoạt động của giới thủy sinh, hoạt động hóa sinh, hóa học và vật lý của nước.Trong nước bị ô nhiễm nặng thì oxi thiếu trầm trọng vì dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh, [11, 14, 23]. 1.1.2.4. Độ pH Là chỉ tiêu quan trọng với nước thải vì thông qua thông số này nhằm xác định xem có cần thiết phải trung hòa hay không. Sự thay đổi của trị số pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hay keo tụ, làm tăng hay giảm vận tốc các quá trình xảy ra trong nước, [14, 23, 24, 34]. 1.1.2.4. Hàm lượng chất rắn Các chất rắn trong nước có thể là các muối vô cơ hòa tan hay không hòa tan, hay các chất hữu cơ như xác các sinh vật và các chất hữu cơ tổng hợp. Chất rắn trong nước phân thành hai loại là chất rắn qua lọc có đường kính hạt nhỏ hơn 1µm ( chất rắn dạng keo kích thước từ 10-6 – 10-9m và các chất hòa tan là ion hay phân tử hòa tan) và chất rắn không qua lọc d > 1µm ( rong tảo, vi sinh vật, các hạt sạn, cát…), [14, 23, 24, 34]. 1.1.2.5. Màu Nước thải thường có màu nâu đen hay màu đỏ nâu. Màu trong nước thải có hai loại là màu biểu kiến và màu thực thường tạo thành do các chất hữu cơ trong xác động thực vật phân rã, do các kim loại hòa tan hay ở dạng keo, chất thải công nghiệp gây nên, [14, 23, 24, 34]. 1.1.2.6. Độ đục Độ đục trong nước cũng là do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục càng cao thì nước có độ nhiễm bẩn càng cao. Độ đục cũng gây cản trở sự quang hợp và làm giảm chất lượng nước, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.1.2.7. Chỉ số Nitơ (N), Photpho (P) Việc xác định lượng N tổng số và P tổng số là rất quan trọng trong đánh giá nước thải, cũng như nhờ hai thông số này mà người ta có thể cân đối dinh dưỡng cho quá trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.1.2.8. Hàm lượng Nitơ (N) Như đã biết trong nước thải luôn có sự hiện diện của các hợp chất chứa N, đó là những chất ở những giai đoạn khác nhau của sự phân hủy protein như amon, nitrat, nitrit. Việc xác định những chỉ số này giúp xác định được mức độ và giai đoạn phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải cũng như tìm hiểu sự có mặt của các vi khuẩn phản nitrat hóa trong nước thải, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.1.2.9. Hàm lượng Photpho (P) Photpho trong nước là nguồn dinh dưỡng cho thực vật thủy sinh và thúc đẩy quá trình phú dưỡng hóa gây ô nhiễm trầm trọng hơn. Việc xác định P trong nước thải nhằm xác định tỉ số BOD : N : P từ đó chọn kĩ thuật thích hợp cho quá trình xử lí. Ngoài ra cũng có thể xác lập tỉ số giữa P và N để đánh giá mức dinh dưỡng có trong nước, [ 14, 23]. 1.1.2.10. Chỉ số LC50 Sự xác định chỉ số này dựa trên nguyên tắc các chất độc trong nước ảnh hưởng đến đời sống của sinh vật hay vật nuôi sống trong nước. Những sinh vật dùng cho thí nghiệm này là cá, bèo tấm, vi khuẩn, chuột trắng…Những chủng dùng thí nghiệm thì phải nhạy với các chất độc và những chất làm ô nhiễm có trong nước, [14]. Các đối tượng này phải nhân giống thành dòng thuần để có sự đồng đều về mặt sinh trưởng, sau đó đưa vào dịch thí nghiệm với các nồng độ khác nhau của nước thải. Sau 96 giờ nuôi thì xác định nồng độ thấp nhất ảnh hưởng đến 50% sinh vật thí nghiệm. Chỉ số này gọi là LC50 hay LOEC. Qua chỉ số LC50 thì cho phép xác định nồng độ nước thải thấp nhất gây tác dụng ức chế đến sinh vật thí nghiệm, đồng thời cũng cho sơ bộ về độc tính của nước thải để đề ra các biện pháp tiếp theo : xác định chất gây độc, xử lí hấp phụ hay loại bỏ các chất độc, [11, 14, 23, 24, 34] 1.1.2.11. Các chỉ tiêu về vi sinh Trong nước thải thường nhiễm nhiều loại vi sinh vật có sẵn trong phân người và động vật. Chúng chủ yếu là những vi khuẩn gây bệnh đường tiêu hóa : tả, lị, thương hàn, vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm... Nhóm vi khuẩn đường ruột nhiễm vào trong nước thải có rất nhiều loại chia thành 3 nhóm chính là : Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E. Coli) Nhóm Streptococus đặc trưng là Streptococcus faecalis Nhóm Clostridium đặc trưng là Clostridium perfringens Việc xác định tất cả những loài vi sinh vật trong phân bị hòa tan trong nước thải cũng như những vi sinh vật gây bệnh là rất khó khăn. Trong đó thì E. coli là đại diện cho nhóm vi khuẩn quan trọng nhất trong việc đánh giá mức độ vệ sinh cũng như đủ các tiêu chuẩn lí tưởng cho sinh vật chỉ thị, nó cũng có thể được xác định theo các phương pháp phân tích vi sinh vật học bình thường ở các phòng thí nghiệm cũng như có thể xác định sơ bộ trong thực địa. Vì vậy mà người ta thường chọn E. coli là vi sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh, [11, 14, 23, 24, 34]. 1.2. Thành phần sinh học của nước thải Trong nước thải có rất nhiều chất hữu cơ nên có rất nhiều sinh vật sinh sống cùng với vi sinh vật tạo thành một hệ sinh vật có quan hệ vô cùng mật thiết, [14, 23]. 1.2.1. Tảo Tảo trong nước thải ( trong đó có cả vi khuẩn lam mà trước đây gọi là tảo lam ) được xếp vào nhóm thực vật nổi của nước. Chúng sống chủ yếu nhờ quang hợp, chúng xử dụng CO2 cùng với N và P để cấu thành tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời cũng thải ra oxy. Trong nước thải rất giàu N, P nên nước thải là môi trường thích hợp cho tảo tăng sinh khối. Mặt khác, việc tăng nhanh sinh khối của tảo cũng là nguồn ô nhiễm thứ cấp của nước thải khi tảo chết đi. Khi phát triển tảo và thực vật thủy sinh làm cho nước tăng độ hiếu khí, [7, 14, 23, 29, 34, 37]. 1.2.2. Động vật nguyên sinh Động vật nguyên sinh thuộc nhóm sinh vật trôi nổi trong nước và là nhân tố chỉ thị cho nước, vì nếu có sự xuất hiện của chúng chứng tỏ quá trình xử lí đạt hiệu quả và trong nước không có độc tính. Thức ăn của những động vật nguyên sinh trong nước thải là các vụn hữu cơ, các loại tảo hay vi khuẩn, [7, 14, 23, 29, 34, 37]. 1.2.3. Hệ vi sinh vật của nước thải Các vi sinh vật là những sinh vật nhỏ bé, đơn bào, tồn tại với số lượng rất lớn trong tự nhiên. Trong nước thải, vi sinh vật xâm nhập vào thông qua nhiều đường khác nhau : từ phân, nước tiểu, rác thải sinh hoạt, rác thải bệnh viện, không khí, đất, gió bụi.v.v..., [14]. Hệ vi sinh vật trong nước thải bao gồm nhiều loại : vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu và chiếm số lượng nhiều nhất là vi khuẩn. Vi khuẩn đóng vai trò cực kì quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ làm sạch nước thải. Theo phương thức dinh dưỡng vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính : - Vi khuẩn dị dưỡng : là những vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng, và làm nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển... Có ba loại vi khuẩn dị dưỡng : + Vi khuẩn hiếu khí + Vi khuẩn kị khí + Vi khuẩn tùy nghi - Vi khuẩn tự dưỡng : là những vi khuẩn có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ CO2, H2O, NH4+, PO43- .... nhờ ánh sáng mặt trời hay năng lượng thải ra từ những phản ứng hóa sinh. Những vi khuẩn thuộc nhóm này bao gồm : vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn khử H2S.v.v..., [7, 14, 23, 29, 34, 37]. 1.3. Vai trò của vi sinh vật trong xử lí nước thải Vi sinh vật trong nước thải nói chung là những vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng phải sử dụng những chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để phân hủy và chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời làm sạch ô nhiễm. Các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn của nước thải sẽ được phân hủy đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hay tạo thành các loại khí khác nhau : CH4, H2S, Mercaptan, Scatol, Idol, NO2, N2O, N2.v.v...., [ 6, 13, 14]. Trong nước thải, những chất hữu cơ chủ yếu là những chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có những chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Những chất hữu cơ này sẽ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn ( trong nước thải thì vi khuẩn chiếm chủ yếu) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ chuyển qua quá trình đồng hóa và dị hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn : - Các chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm của nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. - Chuyển hóa các chất ở trong nội bào để sinh năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Cơ chế của quá trình phân hủy các chất trong tế bào vi sinh vật diễn ra như sau : Sau khi vào trong tế bào vi sinh vật, những chất hữu cơ có mạch phân tử còn tương đối dài sẽ được hệ enzyme thủy phân tiếp tục cắt thành những sản trung gian hay sản phẩm cuối cùng dễ sử dụng như : Tinh bột sẽ phân cắt bởi enzyme amylase tạo thành đường. Protein sẽ bị phân cắt bởi enzyme protease tạo thành pepton, axit amin và cuối cùng là NH4+. Với chất béo thì enzyme lipase sẽ phân hủy tạo thành axit béo và glycerine. Các sản phẩm này sẽ được tế bào vi sinh vật sử dụng làm năng lượng hay làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp tế bào. Có hai loại quá trình thủy phân hay phân hủy : phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các vi sinh vật hiếu khí có sự tham gia của oxy phân tử của không khí và phân hủy kị khí nhờ các vi sinh vật kị khí không có sự tham gia của oxy phân tử, [13, 14, 23]. Những cơ chất ở đây là những chất hữu cơ hòa tan trong nước thải vì vậy thể hiện bằng BOD. Có thể coi BOD là nguồn cơ chất dinh dưỡng cacbon của vi sinh vật trong nước thải. Chính nhờ hoạt động sống của vi sinh vật thì các chất nhiễm bẩn trong nước thải được làm sạch và đồng thời một phần trong số đó được vi sinh vật sử dụng để tăng sinh khối nhờ chúng đồng hóa BOD, NH4+, PO43- và các ion kim loại. Trong số này BOD là nguồn thức ăn chính của các chủng vi sinh vật dị dưỡng và là mục tiêu làm sạch trước tiên. Các nguồn NH4+, PO43- nếu thiếu trong nước thải cần phải bổ sung để cân đối dinh dưỡng cho các vi sinh vật hoạt động, nếu thừa thì cần xử lí riêng. Các ion kim loại cũng vậy, nếu các vi sinh vật sử dụng để tăng sinh khối còn dư thì phải xử lí riêng, [6,13, 14, 23, 29, 34]. 1.3.1. Quá trình phân hủy hiếu khí Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước. Những vi sinh vật phải có khả năng sinh tổng hợp những enzyme tương ứng với những chất hữu cơ trong nước thải : để phân giải protein thì phải có enzyme protease, phân giải tinh bột thì phải có enzyme amylase, hay phân giải chất béo thì phải có enzyme lipase....Những ezyme này ở vi sinh vật hiếu khí gồm có hai cấu tử là nhóm chính và nhóm phụ. Nhóm phụ là – coenzyme gồm flavin – adenin – dinucleotid (FAD) có vai trò quan trọng vì chúng xúc tác các phản ứng oxy hóa khử, [6, 13,14, 23, 29]. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy hiếu khí : - Phải đủ lượng oxy hòa tan ở trong nước để cung cấp cho đời sống vi sinh vật và các phản ứng oxy hóa – khử, [14]. - Các chất hữu cơ có trong nước ở dạng hòa tan thì vi sinh vật sẽ phân hủy nhanh hơn, [14]. - Nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật hoạt động là 20 – 40oC, tối ưu là 25 – 35oC, nhiệt độ thấp nhất vào mùa đông là 12oC, [14]. Oxy hòa tan để cung cấp cho quá trình sống của vi sinh vật trong nước, ngoài lượng oxy hòa tan tự nhiên thì còn cần bổ sung oxy trong những công trình xử lí nước thải, [14]. Oxi cung cấp cho quá trình phân hủy chất hữu cơ có thể chia thành hai pha : pha cacbon là pha phân hủy các hợp chất hidratcacbon giống như quá trình hô hấp nói chung và giải phóng ra năng lượng, CO2, nước cùng các vật liệu tế bào; pha N là pha phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử như protein hay các sản phẩm phân hủy trung gian và giải phóng ra NH3 hay NH4+ là nguồn N dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào, [14]. NH3 hay NH4+ không phải được các vi sinh vật sử dụng hoàn toàn để xây dựng tế bào mà có thể còn được sử dụng bởi những thực vật, tảo trong nước. Ngoài ra, NH3 còn dư sẽ được vi khuẩn Nitrosomonas chuyển hóa thành nitrit, nitrit sẽ được vi khuẩn Nitrozobacter chuyển hóa thành nitrat, nitrat sẽ được chuyển hóa tiếp theo thành N2 bay vào không khí nhờ các vi khuẩn phản nitrat hóa,[ 6, 13, 14, 23, 34]. Những vi khuẩn tham gia quá trình phân hủy hiếu khí thuộc các chi sau :Bacillus, Pseudomonas, Cytophaga, Nitrosomonas, Nitrozobacter, Nitrococcus, Alcaligen, Desulfovibrio, Thiobacillus.v.v...,[13, 14, 23]. 1.3.2. Quá trình phân hủy kị khí Phân hủy kị khí là những quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi phân tử của không khí được thực hiện bởi các vi sinh vật kị khí, [14]. Quá trình phân hủy kị khí bao gồm hai giai đoạn : Giai đoạn thủy phân : dưới tác dụng của ezyme thủy phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân. Những chất phức tạp như :tinh bột, xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, chất béo .v.v...sẽ thủy phân thành những chất đơn giản : đường, pepton, axit amin, glycerol, axit béo..., [6,13, 14, 23, 29, 34]. Giai đoạn tạo khí : những sản phẩm của giai đoạn 1 sẽ tiếp tục được phân giải tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí chủ yếu là CO2 và CH4. Ngoài ra còn có một số khí khác : H2, N2, H2S và ít muối khoáng. Trong số hỗn hợp khí thì metan CH4 chiếm phần lớn 60 – 65%, vì vậy quá trình này còn được gọi là lên men metan. Lên men metan có hai pha : pha axit và pha kiềm ứng với hai giai đoạn phân hủy đã khảo sát ở trên, [6,13, 14, 23, 29, 34]. Ở pha axit : hydratcacbon, axit béo phân hủy tạo thành những axit hữu cơ như axit butyric, axit acetic, axit propionic... làm cho pH môi trường giảm xuống dưới 5, kèm theo mùi hôi thối. Cuối pha này thì các chất tan có chứa N tiếp tục bị phân hủy tạo thành hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, một lượng nhỏ hỗn hợp khí CO2, N2, H2, CH4....pH của môi tường tăng lên và chuyển đến vùng trung tính và sang kiềm. Mùi rất hôi do chứa hỗn hợp khí H2S, Indol, Skatol và Mercaptan, [6,13, 14, 23, 29, 34]. Ở pha kiềm : là pha tạo khí CH4, các sản phẩm thủy phân của pha axit là cơ chất và sản phẩm tạo thành chủ yếu là CH4 và CO2. pH của pha này chuyển hoàn toàn sang kiềm, [6,13, 14, 23, 29, 34]. Quá trình lên men kị khí có thể từ 10 – 15 ngày, nhiệt độ tối ưu là 45 – 55oC, với hàng trăm loài vi khuẩn kị khí bắt buộc và kị khí không bắt buộc tham gia. Các vi khuẩn tham gia quá trình này cũng chia làm hai nhóm là nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan, [6,13, 14, 23, 29, 34]. + Nhóm vi khuẩn không sinh metan : Bacillus cereus, B. megaterium, Pseudomonas aeruginosa, Ps. riboflavin, Ps. reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligen feacalis, Proteus vulgaris, Micrococcus candidus, Clostridium butylicum, Clostridium perfringens....., [13, 14, 23, 29, 34]. + Nhóm vi khuẩn sinh metan: là những vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt, sinh trưởng và phát triển chậm như: Methanobacrerium hình que, không sinh bào tử; Methanobacterium hình que, sinh bào tử; Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi; Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối, [6,13, 14, 23, 29, 34]. 1.4. Nước thải đô thị Nước thải đô thị là nước thải bao gồm nước thải sinh hoạt, nước mưa, nước thải của các khu công nghiệp hay những cơ sở sản xuất nhỏ lẻ. Trong nước thải đô thị có tỉ lệ là khoảng 50 – 60% là nước thải sinh hoạt, nước mưa thấm qua đất khoảng 10 – 14%, nước thải công nghiệp khoảng 30 – 36%, [3, 6, 14]. 1.4.1. Đặc điểm của nước thải đô thị Nước thải đô thị là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, những chất này có thể ở dạng keo, hòa tan hay không hòa tan. Thành phần của nước thải đô thị nói chung có thể thay đổi tùy theo phong tục tập quán cũng như các nghành công nghiệp đặc trưng của khu vực đó. Trong nước thải đô thị thường có các chất hữu cơ (tinh bột, protein, chất béo, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ...), những chất vô cơ ( Fe, Mg, Cu, Na, Ca, Zn...), những chất tạo màu và mùi. Trong nước thải đô thị cũng chứa nhiều các vi sinh vật gây bệnh cũng như vi sinh vật có ích cho quá trình xử lí nước thải. Thành phần và số lượng vi sinh vật trong nước thải đô thị phụ thuộc vào nguồn nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp đặc trưng của đô thị. Vi sinh vật trong nước thải đô thị là nấm mốc, nấm men, vi khuẩn, xạ khuẩn ; trong số đó thì vi khuẩn chiếm số lượng nhiều và đóng vai trò quan trong nhất trong xử lí nước thải. Ngoài vi sinh vật thì trong nước thải đô thị còn có những động vật nguyên sinh protozoa hay các loài tảo, thực vật thủy sinh, [ 3, 6, 12, 14, 24 ,27, 34]. Bảng 1.1. Đặc tính của nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu Nồng độ mg/l Cao Trung Thấp BOD5 400 220 110 COD 1000 500 250 N hữu cơ 35 15 8 N – NH3 50 25 12 N tổng số 85 40 20 P tổng số 15 8 4 Tổng số chất rắn 1200 720 350 Chất rắn lơ lửng 350 220 100 Nguồn : Metcalf and Eddy, 1979, trích bởi Chongrak 1989 – Lê Hoàng Việt, Trung tâm kĩ thuật môi trường và năng lượng mới. 1.4.2. Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam và Tp. HCM 1.4.2.1. Việt Nam Hiện nay, dù các ngành các cấp có thẩm quyền đang tiến hành nhiều chính sách ngăn chặn và khắc phục nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn chưa giảm mà còn có chiều hướng gia tăng. Tại các thành phố lớn trên cả nước: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Hải Dương, Huế, Đà Nẵng…nước thải sinh hoạt không được xử lí mà thải ra môi trường cùng với nước thải công nghiệp, y tế làm cho các thông số COD, BOD, TS, SS đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép 5 – 10 lần thậm chí là 20 lần, [1, 2, 20, 26]. Cộng thêm vào đó là tình trạng quy hoạch các khu đô thị chưa gắn với vấn đề xử lí chất thải, nước thải nên ô nhiễm môi trường ở các TP lớn, các KCN, khu đô thị đang ở mức báo động. Trong tổng số 183 KCN trong cả nước, có trên 60% KCN chưa có hệ thống xử lí nước thải tập trung. Các đô thị chỉ có khoảng 60% - 70% chất thải rắn được thu gom, cơ sở hạ tầng thoát nước và xử lí nước thải, chất thải nên chưa đáp ứng yêu cầu về bảo vệ môi trường... . Trên cả nước chỉ có vài khu công nghiệp mà nước thải được xử lí trước khi thải: khu công nghiệp Việt Nam – Singapore ở Bình Dương, khu công nghiệp Bắc Thăng Long ở Hà Nội, khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng, [1, 2, 20, 26]. Nước thải bệnh viện là nguồn mang mầm bệnh đặc biệt nguy hiểm nhưng hầu hết các bệnh viện, trung tâm y tế hiện nay chưa có hệ thống xử lí riêng mà chủ yếu là xả thải thẳng vào hệ thống thoát nước chung vì vậy làm cho vấn đề ô nhiễm nước thêm trầm trọng, [46]. Hậu quả là hiện nay trên cả nước nhiều dòng sông đang kêu cứu trước nguy cơ bị diệt vong bởi nước thải như sông Thị Vải, sông Đáy, sông Nhuệ và nhiều dòng sông khác. Theo báo Sức khỏe & Đời sống của Bộ Y tế mỗi ngày sông Nhuệ phải hứng chịu hàng trăm nghìn m3 nước thải từ các nguồn trong đó có nước từ sông Tô Lịch với tổng hợp các loại nước thải của khu công nghiệp, làng nghề, nước thải sinh hoạt... Các chất độc trong nước sông Tô Lịch luôn vượt quá tiêu chuẩn cho phép vài chục lần. Không còn một loại sinh, thực vật có ích nào sống được dưới lòng sông. Sông Thị Vải nằm trên 2 tỉnh Đồng Nai và Bà Rịa-Vũng Tàu mỗi ngày tiếp nhận 45.000m3 nước thải của 10 khu công nghiệp. Lượng nước thải của các khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu xả ra sông Thị Vải chiếm hơn 25.000m3/ngày, [41]. 1.4.2.2. Tp. Hồ Chí Minh Tại Tp. Hồ Chí Minh, tình trạng ô nhiễm nước tỉ lệ thuận với tốc độ phát triển của thành phố này. Hàng ngày, hệ thống thoát nước của thành phố phải tiếp nhận 1,5 – 1,7 triệu m3 nước thải chưa qua xử lí, không đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt, [1, 2, 20]. Nước thải bệnh viện cũng thi nhau đổ vào hệ thống thoát nước chung của thành phố mang theo nhiều mầm bệnh nguy hiểm. Thành phố Hồ Chí Minh hiện còn trên 40 bệnh viện chưa có hệ thống xử lí nước đạt chuẩn và 35 cơ sở khác thậm chí chưa có cả hệ thống xử lí. Nước bẩn đi thẳng xuống cống thoát nước và ra môi trường. Từ những nguyên nhân trên mà hiện nay trên địa bàng thành phố, hàng loạt những dòng kênh : kênh Tàu Hủ, kênh Nhiêu Lộc, kênh Tân Hóa….là những dòng kênh chết, nước thải từ những dòng kênh này hàng ngày đi vào sông Sài Gòn làm cho tình trạng ô nhiễm nước sông ngày càng trầm trọng, [ 1, 20, 46]. Bảng 1.2. Số liệu phân tích chất lượng nước thải tại 39 miệng cống xả ra kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè. Chỉ tiêu Nồng độ (mg/l) Khoảng dao động Trung bình COD 100 - 396 177 BOD 50 - 230 99 SS 200 – 650 90 TS 100 – 540 241 pH 6,18 – 7,92 6,89 N kjeldahl 0 – 0,75 12,28 P 0,06 – 2,23 1,19 Nguồn : Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ môi trường – Trung tâm Bảo vệ Môi trường (EPC) 03/1994 1.5. Các phương pháp xử lý nước thải đô thị 1.5.1. Phương pháp cơ học Trong nước thải thường có nhiều loại tạp chất rắn với các kích cỡ khác nhau : rơm, cỏ, gỗ mẫu, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ, dầu mỡ, .v.v… Ngoài ra, còn có các loại hạt lơ lửng ở dạng huyền phù khó lắng. Chính vì vậy mà để việc xử lí nước thải đạt hiệu quả thì việc đầu tiên phải loại những tạp chất trên ra khỏi nước thải và phương pháp thích hợp nhất là xử lí cơ học. Xử lí cơ học bao gồm nhiều phương pháp: - Song chắn rác: nhằm giữ lại các vật thô như giẻ, giấy, rác, vỏ hộp, mẩu đất đá, gỗ… trước song chắn rác, [11, 14, 24, 25]. - Lưới lọc: đặt sau song chắn rác nhằm loại bỏ tạp chất rắn co kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn và có thể đặt thêm lưới lọc, [11, 14, 24, 25]. - Lắng cát: dựa theo nguyên lí trọng lực, dòng nước thải chảy qua bẫy cát, [14, 24, 25]. - Các loại bể lắng : trong quá trình xử lí cần phải lắng các loại hat lơ lửng , các loại bùn… nhằm làm cho nước trong. Nguyên lý làm việc của các loại bể này đều dựa trên cơ sở trọng lực, [11, 14, 24, 25]. - Tách dầu mỡ : trong nước thải có chứa một lượng dầu mỡ do các cơ sở sản xuất bơ sữa, ăn uống, xí nghiệp ép dầu… thải ra. Để loại bỏ dầu mỡ một cách đơn giản có thể dùng các tấm sợi quét trên mặt nước, [5, 6,11, 14, 24, 25]. - Lọc cơ học : là phương pháp dùng tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước mà bể lắng không lắng được bằng các loại phin lọc. Vật liệu lọc có thể là thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau, amiang, bông, len, sợi tổng hợp, than cốc, sỏi, đá nghiền.v.v…, [5, 6,11, 14, 24, 25]. 1.5.2. Phương pháp hóa học và hóa lý 1.5.2.1. Trung hòa Người ta thường trung hòa pH của nước thải về 6,6 – 7,6 để thích hợp cho quá trình xử lí. Những hóa chất thường dùng để điều chỉnh pH của nước thải: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, NaOH, HCl, H2SO4, [5, 6,11, 14, 24, 25]. 1.5.2.2. Keo tụ Trong nước thải thì những hạt nhỏ ở dạng keo không thể lắng được, muốn cho chúng lắng được thì phải làm tăng kích thước của chúng. Muốn làm như vậy thì phải trung hòa điện tích của chúng rồi mới liên kết chúng lại với nhau. Những chất có thể thực hiện keo tụ thường là muối sắt hay muối nhôm hoặc là hỗn hợp của chúng: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O, Fe2(SO4)2.3H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, FeSO4.7H2O, FeCl3….., [5, 6, 11, 14]. 1.5.2.3. Hấp phụ Phương pháp này thường dùng để loại bỏ khỏi nước thải những chất hòa tan mà không thể loại bỏ bằng phương pháp khác vì chúng có hàm lượng rất nhỏ trong nước thải. Những chất này thường là những chất độc hại, chất màu hay mùi khó chịu. Những chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, silicagen, keo nhôm, xỉ tro, xỉ mạt sắt…trong số này thì chất thường dùng phổ biến nhất là than hoạt tính, [5, 6, 11, 14]. 1.5.2.4. Tuyển nổi Phương pháp này dựa trên nguyên tắc các phân tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém nhưng lại có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi trên bề mặt nước. Sau đó người ta tách các bọt khí này ra khỏi nước, thực chất đây là quá trình tách bọt hay làm đặc bọt. Tuyển nổi thường dùng trong tách các chất lơ lững không tan và một số chất khó tan ra khỏi pha lỏng. Kĩ thuật này thường dùng trong xử lí nước thải đô thị và nhiều lĩnh vực công nghiệp như: chế biến dầu béo, thuộc da, dệt, chế biến thịt.v.v…., [5, 6, 11, 14]. 1.5.2.5. Trao đổi ion Thực chất đây là quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Phương pháp này dùng loại ra khỏi nước thải các ion kim loại như Cu, Cr, Ni, Hg, V, Mn, chất phóng xạ, loại các ion Ca2+ và Mg2+ làm mềm nước, [5, 6, 11, 14]. 1.5.2.6. Khử khuẩn Dùng các hóa chất có tính độc với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hay tái sử dụng. Để khử khuần có thể dùng hóa chất hay những tác nhân vật lý như tia tử ngoại hay ozone…Công đoạn khử khuẩn thường đặt ở cuối trong quá trình xử lí nước thải, [5, 6, 11, 14] 1.5.3. Phương pháp sinh học Phương pháp này chủ yếu dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước trước hết được vi sinh vật sử dụng làm thức ăn nếu dư sẽ bị khoáng hóa thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước, [11, 14]. Phương pháp này dựa trên cơ sở là hoạt động của vi sinh vật vì vậy điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải, [11, 14] Từ yêu cầu trên mà nước thải phải thõa mãn những yêu cầu sau: + Không có chất độc làm chết hay hay ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải. Trong số các chất độc phải chú ý đến hàm lượng kim loại nặng. Theo mức độc hại thì các kim loại xếp theo thứ tự: Sb> Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr+3 > V > Cd > Zn > Fe Muối của những kim loại này cũng ảnh hưởng đến đời sống của vi sinh vật. Nếu quá nồng độ cho phép, các sinh vật có thể sẽ không sinh trưởng được và có thể bị chết, [11, 14] + Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. Những chất dinh dưỡng đó thường là hidratcacbon, protein, lipid hòa tan, [11, 14] + Nước thải đưa vào xử lí sinh học có hai thông số đặc trung là COD và BOD. Tỉ số của hai thông số này là phải là: COD/BOD ≤ 2 hay BOD/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinh học hiếu khí. Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó có cellulose, hemicellulose, protein, tinh bột chưa tan thì phải xử lí bằng sinh học kị khí hay thêm các biện pháp xử lí hóa lý như kết tủa, hấp phụ.v.v…, [11, 14] 1.5.3.1. Xử lí nước thải bằng ao hồ sinh học Ao hồ sinh học hay còn gọi là ao hồ ổn định nước thải, đây là phương pháp đơn giản nhất và đã được áp dụng từ thời xa xưa. Phương pháp này không yêu cầu kĩ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động rẻ tiền, quản lí đơn giản, hiệu quả cao, song yêu cầu về diện tích mặt bằng lớn và quá trình xử lí có thể sinh ra mùi khó chịu. Cơ sở khoa học của phương pháp này là dựa vào quá trình tự làm sạch của nước liên quan tới hoạt động sống của giới thủy sinh. Hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước. Tùy theo chiều sâu của hồ sinh học mà chia thành 3 vùng: vùng kị khí ở đáy, vùng tùy nghi ở giữa và vùng hiếu khí trên mặt, [5, 6, 11, 14, 23, 25]. Tại vùng kị khí xảy ra quá trình phân giải chất hữu cơ trong điều kiện kị khí có trong lớp bùn hay trong nước đáy. Các sản phẩm tạo thành trước tiên là các acid hữu cơ và sản phẩm cuối cùng là NH3, H2S, CH4, H2, CO2…., [5, 6, 11, 14, 23, 25]. Tại vùng tùy nghi, các vi khuẩn sẽ phân hủy chất hữu cơ thành nhiều chất trung gian khác nhau, cuối cùng là CO2 và nước. Những vi khuẩn này xử dụng O2 do tảo và các loài thực vật trong nước sinh ra. Tại đây cũng xảy ra quá trình phản nitrat hóa, [5, 6, 11, 14, 23, 25]. Tại vùng hiếu khí, những thực vật thủy sinh như tảo, rong đuôi chó, các loại bèo… sẽ quang hợp cung cấp O2 cho vi khuẩn hiếu khí hoạt động, ngoài ra thì rễ của chúng là nơi bám vào của vi khuẩn giúp chúng sống sót dưới ánh sáng mặt trời. Ngược lại những vi khuẩn hiếu khí sẽ phân giải chất hữu cơ thành các chất khoáng cung cấp cho thực vật thủy sinh và tảo sử dụng. Cứ như vậy thì nước ô nhiễm sẽ được làm sạch. Nếu dư PO43- và NH4+ tảo sẽ phát triển bùng nổ làm nước nở hoa. Nếu lượng chất hữu cơ thấp có thể nuôi cá và sinh khối tảo làm thức ăn tốt cho cá. Còn ngược lại thì phải dùng hóa chất diệt tảo và như vậy nước có thể bị ô nhiễm thứ cấp, [5, 6, 11, 14, 23, 25]. Hồ sinh học chia thành các loại tùy theo độ sâu và mục đích sử dụng, [14] - Ao hồ hiếu khí. - Ao hồ kị khí. - Ao hồ hiếu – kị khí. - Ao hồ ổn định xử lí bậc III. 1.5.3.2. Cánh đồng tưới và bãi lọc Việc thực hiện xử lí nước thải trên những cánh đồng tưới và bãi lọc là dựa vào khả năng giữ cặn của nước trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống, lượng oxy càng ít nên quá trình oxy hóa chất nhiễm bẩn giảm dần. Cuối cùng đến độ sâu mà tại đó chỉ còn diễn ra quá trình khử nitrat. Các cánh đồng tưới và bãi lọc chỉ xây dựng ở những nơi có mực nước nguồn thấp hơn 1,5m so với mặt đất, [ 11, 14, 25]. Cánh đồng tưới có hai chức năng là xử lí nước thải và tưới bón cây trồng. việc dùng nước thải tưới bón cây trồng có thể tăng năng suất lên 2- 4 lần, nhất là cánh đồng cỏ thì có thể tăng lên 5 lần, [ 11, 14, 25]. Khi xử dụng cánh đồng tưới và bãi lọc thì phải đảm bảo vệ sinh cho cộng đồng và cho các sản phẩm cây trồng, đảm bảo không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước sau xử lí có thể đổ vào trong các thủy vực. Chính vì những yêu cầu trên mà các công trình loại này phải xây dựng ở xa khu dân cư và cuối hướng gió, [ 11, 14, 25]. 1.5.3.3. Xử lí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật Trong nước thải luôn có những hạt chất rắn lơ lửng và khó lắng, đây là những giá thể giúp cho vi sinh vật có thể bám vào phát triển thành những bông cặn có khả năng phân hủy chất hữu cơ trong nước thải. Người ta có thể ứng dụng sinh trưởng lơ lửng để xử lí nước thải kị khí hay hiếu khí, [5, 6, 11, 14]. Với những hạt bông bùn này nếu được thổi khí khuấy đảo sẽ lơ lửng trong nước và dần lớn lên do hấp phụ vi sinh vật, chất rắn, nguyên sinh động vật …trong nước thải. Thành phần của bùn chủ yếu là vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn, nguyên sinh động vật. Vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí sẽ sử dụng chất hữu cơ trong nước thải làm thức ăn tăng sinh khối, đồng thời chất keo trong khối nhầy của bùn hoạt tính sẽ kết dính các chất lơ lửng, làm sáng màu và khử mùi…vì vậy mà bùn hoạt tính to lên và lắng xuống đáy, nhờ vậy mà nước thải được làm sạch. Những công trình xử lí nước thải hiếu khí ứng dụng sinh trưởng lơ lửng với vi khuẩn hiếu khí như aeroten, mương oxy hóa, bể oxyten.… , [5, 6, 11, 14]. Những công trình xử lí nước thải kị khí ứng dụng sinh trưởng lơ lửng với vi khuẩn kị khí bắt buộc như xử lí bằng tiếp xúc kị khí ANALIFT, xử lí nước thải ở lớp bùn kị khí và dòng nước hướng lên UASB hay còn gọi là lên men ở lớp bùn ANAPULSE. Phương pháp này có thể loại bỏ BOD5 80 – 95%, COD từ 65 – 90% với những nước thải bị ô nhiễm nặng, [5, 6, 11, 14]. 1.5.3.4. Xử lí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám của vi sinh vật Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá mang, giá mang là nơi các vi sinh vật dính bám. Trong số những vi sinh vật thì có những loài có khả năng sinh ra chất dẻo hay polymer sinh học, chất này có khả năng dính nhờ vậy có càng nhiều vi khuẩn và ngày càng dày lên gọi là màng sinh học. Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ trong nước khi chảy qua hay tiếp xúc với màng. Bên cạnh các chất hữu cơ thì màng này còn có khả năng kết dính những động vật nguyên sinh, trứng giun sán…. làm cho nước thải giảm chất hữu cơ, cũng như giảm đi những chất lơ lửng trong nước thải nhờ vậy mà nước thải được làm sạch, [5, 6, 11, 14]. Những công trình hiếu khí xử lí nước thải ứng dụng màng sinh học như lọc sinh học, đĩa quay sinh học, BIOFOR, NITRAZUR, OXIZUR, BIODROP…., [5, 6, 11, 14]. Những công trình kị khí xử lí nước thải ứng dụng màng sinh học như : lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ ( ANAFIZ), lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở ( ANAFLUX ), [5, 6, 11, 14]. 1.5.3.5. Xử lí bằng quá trình hợp khối Quá trình hợp khối trong xử lí nước thải là quá trình kết hợp các phương pháp hiếu khí, kị khí và thiếu khí nhằm xử lí nước thải một cách triệt để, [33]. Quá trình hợp khối này thường ứng dụng để khử N và P trong nước. Trong quá trình hiếu khí thì nitơ ở dạng amoni sẻ được chuyển hóa thành nitrat nhờ những vi khuẩn Notrosomonas và Nitrobacter. Trong điều kiện thiếu khí thì nitrat lại được các vi khuẩn khử nitrat chuyển hóa thành nitơ phân tử bằng cách tách đi oxi của nitrat và nitrit. Với muối chứa photpho như polyphotphat, orthophotphat người ta ứng dụng quá trình photphoryl hóa của vi khuẩn kị khí tùy tiện Acinetobacter sp để khử photpho, [33]. Dùa trªn c¸c nguyªn lý nμy, ng−êi ta ®· thiÕt lËp mét qui tr×nh xö lÝ n−íc th¶i theo ph−¬ng ph¸p bïn ho¹t tÝnh ®Ó khö BOD, N, P trong hÖ thèng Bardenpho (gåm hÖ thèng c¸c bÓ kÞ khÝ, bÓ thiÕu khÝ, bÓ hiÕu khÝ...). Xö lÝ n−íc th¶i b»ng hÖ thèng nμy sÏ t¸ch ®−îc mét l−îng lín photpho ra khái n−íc th¶i d−íi d¹ng polyphotphat trong bïn d−, vμ khö ®−îc nitrat trong c¸c bÓ thiÕu khÝ, [33]. 1.6. Quá trình hợp khối và kĩ thuật kết hợp aeroten với lọc sinh học. Với nước thải đô thị là nước thải bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp người ta có thể xử lí nước thải này qua hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất qua aeroten với bùn hoạt tính và giai đoạn hai là lọc sinh học với vật liệu lọc là hạt xốp làm bằng chất dẻo. Giải pháp này cho phép: - Có lợi về mặt năng lượng cho xử lí nước. - Có lợi về vị trí do những chất thải có khả năng lọc trên lớp vi sinh vật ( hiệu suất khoảng 5 kg BOD5/ngày ). - Có khả năng làm việc tốt hơn khi thay đổi tải đột ngột. Nước thải khi qua aeroten, các vi khuẩn trong bùn hoạt tính hoạt động chúng sử dụng chất hữu cơ trong nước thải và làm sạch nước một phần lớn chất hữu cơ. Nước thải tiếp tục chuyển sang lọc sinh học, tại đây những vi khuẩn của màng sinh học cùng nới những vi khuẩn trong bùn có thể sang bám vào màng tiếp tục làm sạch nước triệt để hơn. Trong thực tế để xử lí nước thải ô nhiễm nặng ( BOD5 từ 300 – 1000 mg/l) người ta thường sử dụng hệ thống xử lí hợp khối gồm: bể kị khí + aeroten + lọc sinh học, [14]. 1.6.1. Aeroten Nước thải luôn chứa những chất lơ lửng là những chất rắn hay là những chất hữu cơ chưa hòa tan. Chất lơ lửng này là nơi vi khuẩn bám vào, những vi khuẩn này tiết ra enzyme ngoại bào và phân hủy những chất hữu cơ dễ phân hủy cũng như những chất hữu cơ khó phân hủy thành những dạng đơn giản. Sau đó những chất hữu cơ đã được phân hủy ngoại bào này sẽ được thẩm thấu qua màng tế bào và được oxi hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho tế bào cùng sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Nhờ quá trình này mà sinh khối vi sinh vật ngày càng tăng, tạo thành những hạt bông lơ lửng trong nước với kích thước khoảng 3 đến 150µm. có màu vàng nâu dễ lắng còn gọi là bùn hoạt tính, [3, 5, 6,11, 14, 15, 19, 24, 31, 32, 33]. Thành phần sinh học của bùn hoạt tính bào gồm nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh nhưng chủ yếu là vi khuẩn chiếm đa số, số lượng khoảng 108 – 1012 trên 1mg chất khô với những giống như: Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligen, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…. Vi khuẩn trong bùn hoạt tính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ trong nước thải. .[3, 5, 6, 11, 14, 15, 19, 24, 31, 32, 33] Bảng 1.3. Một số giống chính trong quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phản nitrat hóa Athrobacter Phân hủy hidratcacbon Bacillus Phân hủy hidratcacbon, protein Cytophaga Phân hủy các polymer Zooglea Tạo chất nhầy (polisaccarit), hình thành chất keo tụ. Acinetobacter Tích lũy polyphotphat, phản nitrat Nitrosomonas Nitrit hóa Nitrobacter Nitrat hóa Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ Alcaligen Phân hủy protein, phản nitrat hóa Flavobacterium Phân hủy protein Nitrococcus denitrificans Phản nitrat hóa (khử nitrat thành N2) Thiobacillus denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium Vi khuẩn Chức năng Desulfovibrio Khử sulfat, khử nitrat Quá trình oxi hóa hợp chất hữu cơ trong nước thải qua ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ở giai đoạn này thì bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Sinh khối trong giai đoạn này ít, tuy nhiên sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường thì chúng sinh trưởng theo cấp số nhân và lượng oxi tiêu thụ cũng tăng dần, [14]. - Giai đoạn 2 : vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Giai đoạn này thì chất hữu cơ đựơc phân hủy nhiều nhất, [14]. - Giai đoạn 3 : sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng và có chiều hướng giảm thì lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây chính là giai đoạn nitrat hóa các muối amon. Sau giai đoạn này bùn lắng xuống đáy, nếu không tách bùn cặn thì bùn sẽ tự phân gây ô nhiễm thứ cấp nguồn nước, [ 14]. 1.6.2. Lọc sinh học Phương pháp lọc sinh học dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Vật liệu lọc dùng trong lọc sinh học thường là gỗ, đá, hay polymer. Màng sinh học là tập hợp nhiều loài vi sinh vật hiếu khí, kị khí và tùy tiện xuất hiện theo bề dày từ ngoài vào trong của màng sinh học. Lớp ngoài cùng: là lớp tập trung chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí mà điển hình là Bacillus. Lớp giữa: là nơi xuất hiện các vi khuẩn tùy tiện Pseudomonas, Alcaligens, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp trong cùng: là lớp kị khí với sự xuất hiện của vi khuẩn khử nitrat và khử lưu huỳnh Desulfovibrio. Bên cạnh những vi khuẩn kị khí thì tại vùng này còn xuất hiện những động vật nguyên sinh, chúng ăn một phần màng và tạo thành những lỗ nhỏ trên màng, [5, 6, 8, 11, 14, 19, 24, 36]. Chất hữu cơ trong nước thải sẽ bị oxy hóa một phần bởi những vi sinh vật hiếu khí bên ngoài. Sau khi thấm sâu vào bên trong màng nước sẽ hết oxy hòa tan và tiếp tục được làm sạch bởi những vi khuẩn kị khí và tùy tiện. Cùng với quá trình làm sạch thì màng ngày càng dày lên 1 – 4 mm, khi nước đã cạn kiệt chất hữu cơ thì vi khuẩn trên màng sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và xảy ra hiện tượng tróc màng, sau đó lớp màng sẽ được tái lập lại. Lọc sinh học thường áp dụng cho các công trình xử lí nước thải ô nhiễm tương đối nhẹ ( BOD5 từ 100 – 300mg/l) và SS trong nước thấp khoảng vài chục mg/l. Do vậy trong hệ thống hợp khối thường đặt ở vị trí sau kị khí và aeroten làm công việc xử lí bổ trợ hay xử lí những công đoạn cuối, [5, 6, 8, 11, 14, 19, 24, 36]. 1.7.Tình hình áp dụng mô hình hợp khối ở Việt Nam và trên thế giới 1.7.1. Thế giới Xử lí nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp bằng biện pháp sinh học đã được các quốc gia phát triển trên thế giới nghiên cứu và đưa vào ứng dụng. Hiện nay, để xử lí đạt hiệu quả cao những nước thải ô nhiễm nặng thì phương pháp chủ yếu được chọn là phương pháp hợp khối kết hợp kị khí và hiếu khí hay kết hợp lọc sinh học và aeroten. Đây là công nghệ xử lý nước thải được ứng dụng ở những nước phát triển như: Mỹ, Nhật, Đức, Israel…. Ảnh 1.1. Mô hình J Một trong những giải pháp cải thiện môi trường được áp dụng tại Nhật Bản là sử dụng rộng rãi trong toàn xã hội hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt tại nguồn J (1982). J là hệ thống xử lí chất thải và nước sinh hoạt đạt được những chỉ tiêu tiên tiến, đáp ứng những yêu cầu khắt khe nhất về bảo vệ môi trường hiện nay của các nước phát triển. Thiết bị J gồm phần vỏ được chế tạo bằng vật liệu Dicyclopentadiene – Polymer hoặc nhựa Composite kết hợp sợi hóa học, một máy bơm và 5 bể lọc kị khí, 2 bể lọc màng sinh học – vi sinh hiếu khí và một bể trữ nước đã qua xử lí, có khoang khử trùng bằng clo…Hệ thống thiết bị này được thiết kế gọn nhẹ, tối ưu nhằm đem lại cho chúng ta sự đơn giản trong lắp đặt và sử dụng, [47]. Aqwise là công ty chuyên nghiên cứu trong lĩnh vực xử lí nước thải vừa qua đã phối hợp với WESTT Development BV một công ty của Hà Lan để phát triển hệ thống xử lí nước thải kết hợp kị khí và hiếu khí xử lí nước thải của công nghiệp chế biến giấy, công nghiệp dược và đồ hộp khả năng xử lí của hệ thống này có thể lên đến 3 - 10 tấn COD/ngày. Mức kinh phí cho dự án này là 1 triệu đô la và hoàn thành trong năm 2010.[45] Với những ưu điểm vượt trội của mình thì công nghệ hợp khối ngày càng được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều quốc gia trên thế giới. 1.7.2. Việt Nam Ở nước ta cùng với sự phát triển, mọc lên của hàng loạt những khu công nghiệp thì vấn đề xử lí nước thải công nghiệp bằng công nghệ hợp khối ngày càng ứng dụng rộng rãi. Công ty Bia ong Thái Bình sản xuất chủ yếu là bia hơi, công suất hiện nay là 5 triệu lít/năm. Đến năm 2003, công suất dự kiến sẽ tăng lên 8 triệu lít/năm. Công nghệ sản xuất bia là công nghệ truyền thống theo tiêu chuẩn Việt Nam do công ty POLICO chuyển giao. Lượng nước cần cho quá trình sản xuất bia là 500 m3/ngày, trong tương lai sẽ tăng lên 700 m3/ngày. Nước chủ yếu dùng trong các khâu: nấu, rửa tang bốc, rửa nồi, rửa chai, vệ sinh công nghiệp ... Nước nấu bia khoảng 30 đến 50 m3/ngày (ngày cao điểm đến 60 m3). Nước thải chủ yếu là nước rửa nồi, rửa chai, tang bốc, nước cấn men... khoảng 300 m3/ngày hiện nay sẽ tăng lên 400 m3/ngày khi sản lượng 8 triệu lít bia/năm. Kể cả nước thải sinh hoạt sẽ là 450 m3/ngày. Nước thải Công ty Bia ong Thái Bình có hàm lượng BOD5 trên 900 mg/l, COD trên 1200 mg/l và hàm lượng cặn lơ lửng trên 300 mg/l. Nước thải được xử lí theo dây chuyền công nghệ UAFB và SBR hiệu quả xử lí nước thải theo BOD5 đạt tới 95%, đáp ứng yêu cầu xả vào nguồn nước mặt loại B theo quy định của TCVN 5945-1995.[48] Dự án xây dựng công trình xử lí rác Gò Cát do Công ty Xử lí chất thảI TP. HCM (hiện nay đã sáp nhập vào Công ty Môi trường đô thị) và công ty VERMEER (Hà Lan) lập với tên gọi “Dự án đầu tư nâng cấp chất lượng công trình xử lí rác Gò Cát”. Tổng mức đầu tư: khoảng 242 tỷ đồng, trong đó: Vốn viện trợ không hoàn lại của Chính phủ Vương quốc Hà Lan: 176,9 tỷ (theo Hiệp định tài trợ giữa chính phủ Hà Lan và Chính phủ Việt Nam được ký kết vào ngày 24/5/2000). Vốn đối ứng trong nước bằng ngân sách địa phương 65,1 tỷ đồng. Nước rỉ rác được bơm về hồ chứa. Từ đây, nước rác được bơm vào bể khuấy trộn → Tháp khử Caxi → Bể sinh học kị khí UASB → Bể tiền khử Nitơ → Bể thoáng khí Aerotank → Bể hậu khử Nitơ → Bể lắng → Thiết bị xử lí hóa lý PCTU (keo tụ - tạo bông - tạo lắng) → Lọc cát → Lọc 130 µm → Lọc 5 µm → Lọc Nano → Xả ra nguồn tiếp nhận. cùng với xử lí nước rỉ rác thì hệ thống này còn cho phép thu gas và điện.[49] Theo tạp chí Phát Triển KH&CN, tập 12, số 02 – 2009, các tác giả Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Thị Thanh Phượng, Lê Thị Thu đã nghiên cứu và hoàn thành đề tài “ Xử lí nước thải tinh bột mì bằng công nghệ Hybrid – Lọc sinh học và Aeroten”. Bằng phương pháp này nước thải nhà máy tinh bột mì với hàm lượng chất hữu cơ và chất độc cao đã được xử lí với khả năng làm sạch lên tới 95% COD, 95% N – NH3 ở tải trọng tối ưu 1kg COD/ m3/ ngđ, thời gian lưu nước 1 ngày. Hàm lượng vi sinh vật trong hệ thống có thể đạt đến 10.000mg/l. Nước sau xử lí đạt tiêu chuẩn loại B theo TCVN 5945 – 2005. Ở Hà Nội đã đưa vào sử dụng hai trạm xử lí nước thải đô thị là trạm Trúc Bạch với hệ thống hợp khối là bể kị khí UASB và aeroten, trạm Kim Liên là bể kị khí + aeroten + lọc sinh học. Hai trạm này hoạt động rất tốt, nước sau xử lí đạt tiêu chuẩn loại B theo TCVN. Nhà máy bia Hà Nội với hệ thống hợp khối là bể kị khí UASB + aeroten đã xử lí được toàn bộ nước thải của xí nghiệp với mức ô nhiễm trên 1000 mg/l với công suất 500 m3/ ngày đêm. Nhà máy bia Tiger cũng áp dụng xử lí nước thải trên hệ thống hợp khối đạt hiệu quả cao và tự động hóa gần như hoàn toàn hệ thống xử lí. Ngày nay, Kỹ thuật xử lí hợp khối đang được nhiều nghành công nghiệp quan tâm, vì hệ thống này chứng tỏ hiệu quả xử lí cao và có thể áp dụng cho xử lí nhiều loại nước thải đặc biệt là các loại nước thải ô nhiễm nặng nếu như được kết hợp với xử lí hóa lý như : kết tủa, keo tụ….và cuối cùng là khử khuẩn. Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Địa điểm nghiên cứu 2.1.1. Địa điểm lấy mẫu nước thải Cầu Hòa Bình bắc ngang kênh Tân Hóa quận 11 Thành Phố Hồ Chí Minh. 2.1.2. Nơi tiến hành thí nghiệm - Phòng thí nghiệm Vi sinh, Sinh hóa Trường ĐHSP Tp. HCM. - Vườn trường Khoa sinh, nơi đặt mô hình thí nghiệm. 2.2. Các dụng cụ và thiết bị hóa chất cần dùng trong nghiên cứu. 2.2.1. Dụng cụ, thiết bị + Thiết bị - Kính hiển vi quang học Olympus ( Nhật Bản). - Máy đo pH WTW (Đức). - Cân phân tích SATURIUS (Đức). - Bình tối xác định BOD (Mỹ, Thụy Điển). - Tủ ấm, tủ sấy vô trùng MEMERT (Đức) - Tủ cấy vô trùng ( Trung tâm nhiệt đới Việt Nga). - Nồi hấp vô trùng HUXLEY (Đài Loan). + Dụng cụ - Pipet, pipetman - Đĩa Petri, ống nghiệm - Bình cầu 500l - Ống sinh hàn - Bình tam giác, các loại que cấy 2.2.2. Hóa chất - Cồn đốt, K2HPO4, KH2PO4, CaCl2, KOH, Na2SO3. ( Việt Nam) - Tinh bột tan, CMC, Casein, KI, I2, HgSO4, Glucose, Gentian violet. (Trung Quốc) - FeCl3. 6H2O, K2Cr2O7, cao nấm men, cao thịt (Đức). 2.3. M«i tr−êng nu«i cÊy 2.3.1.M«i tr−êng MPA dùng nuôi cấy vi khuẩn Cao thÞt 3g Peptone 5g NaCl 5g Agar 20g N−íc cÊt 1000ml 2.3.2. M«i tr−êng Czapek – Dox dùng nuôi cấy nấm mốc NaNO3 3.5g K2HPO4 1.5g MgSO4 0.5g KCl 0.5g FeSO4.7H2O 0.01g Glucose 20g Agar 10g N−íc cÊt 1000ml pH = 7 khö trïng 30 phót ë 1 atm. 2.3.3. M«i tr−êng Hansen dùng nuôi cấy nấm men Glucose 50g Peptone 10g Cao men 3g KH2PO4 3g MgSO4.7H2O 3g Agar 15g N−íc cÊt 1000ml pH = 7 khö trïng 30 phót ë 1 atm 2.3.4. M«i tr−êng thö ho¹t tÝnh amylase, protease, cellulase cña vi khuÈn M«i tr−êng c¬ së Peptone 5 g Cao men 2,5 g Glucose 1 g N−íc cÊt 1000 ml pH 5,5 - 7,8 Enzyme cÇn thö Thμnh phÇn m«i tr−êng Amylase M«i tr−êng c¬ së + thay Glucose b»ng 1% tinh bét tan. Protease M«i tr−êng c¬ së + thay Glucose b»ng 1% casein hoÆc 20 ml s÷a ®Æc. Cellulase M«i tr−êng c¬ së + thay Glucose b»ng 0,3 - 0,5% CMC. 2.3.5. M«i tr−êng thö ho¹t tÝnh enzyme amylase, protease, cellulase cña bïn ho¹t tÝnh và màng sinh học Enzyme cÇn thö Thμnh phÇn m«i tr−êng Amylase M«i tr−êng MPA + 1% tinh bét tan. Protease M«i tr−êng MPA+ 1% casein. Cellulase M«i tr−êng MPA + 1% CMC. 2.4. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 2.4.1. Ph−¬ng ph¸p lÊy mÉu n−íc 2.4.1.1. LÊy mÉu n−íc th¶i ph©n tÝch c¸c chØ tiªu « nhiÔm Theo ph−¬ng ph¸p lÊy mÉu n−íc th¶i theo TCVN 5999:1995, ISO 5667 - 10:1992, ISO 5667-1. LÊy mÉu tæ hîp theo dßng ch¶y b»ng c¸ch lÊy c¸c mÉu ®¬n cã thÓ tÝch tõ 200 - 300 ml ë nh÷ng thêi ®iÓm cã dßng ch¶y kh¸c nhau, c¸c mÉu ®¬n ®−îc b¶o qu¶n ë 0 - 40C. 2.4.1.2. LlÊy mÉu ®Ó xö lý trong m« h×nh hợp khối LÊy mÉu víi sè l−îng lín nªn kh«ng cÇn b¶o qu¶n nh− trªn. Tr−íc khi ®−a vμo xö lí sÏ ph©n tÝch c¸c chØ sè tõ mÉu n−íc th¶i lÊy tõ thïng chøa. 2.4.2. Ph−¬ng ph¸p hãa m«i tr−êng 2.4.2.1. X¸c ®Þnh chÊt r¾n tæng sè (TS) [13] Tæng l−îng chÊt r¾n lμ chÊt r¾n cßn l¹i trong b×nh sau khi sÊy mÉu trong tñ sÊy. Tæng l−îng chÊt r¾n bao gåm: chÊt r¾n huyÒn phï vμ chÊt r¾n hßa tan. a. C¸ch tiÕn hμnh - ChuÈn bÞ b¸t sø: sÊy b¸t sø ë 1050C trong 1 giê. Gi÷ b¸t trong b×nh hót Èm tr−íc khi dïng, c©n ngay tr−íc khi sö dông. - ChuÈn bÞ mÉu: chän thÓ tÝch mÉu thÝch hîp ®Ó l−îng cÆn cßn l¹i kho¶ng 2,5 - 200 mg. Cho l−îng mÉu thÝch hîp vμo b¸t sø, sÊy kh« trong tñ sÊy ®Õn khèi l−îng kh«ng ®æi, sau ®ã ®em c©n. b. TÝnh to¸n kÕt qu¶ TS = V ba 1000).(  (mg/l) Trong ®ã: a: khèi l−îng cÆn vμ b¸t sø sau khi sÊy (mg) b: khèi l−îng b¸t sø (mg) V: thÓ tÝch mÉu ph©n tÝch (ml) 2.4.2.2. X¸c ®Þnh chÊt r¾n huyÒn phï (SS)[14] MÉu ®−îc trén ®Òu ®em läc qua giÊy läc ®· biÕt tr−íc khèi l−îng. CÆn cßn l¹i trªn giÊy läc ®−îc sÊy kh« ®Õn khèi l−îng kh«ng ®æi ë 1030C - 1050C. a. C¸ch tiÕn hμnh §Æt giÊy läc ®· biÕt khèi l−îng vμo phÔu thñy tinh, chän thÓ tÝch mÉu ®Ó l−îng cÆn cßn l¹i kh«ng nhá h¬n 2,5 mg. Nhá vμi giät n−íc ®Ó giÊy läc dÝnh s¸t phÔu, sau ®ã läc l−îng mÉu ®· trén ®Òu qua giÊy läc. Röa cÆn b»ng n−íc cÊt vμ tiÕp tôc hót ch©n kh«ng. T¸ch giÊy läc khái phÔu ®em ®i sÊy tíi khèi l−îng kh«ng ®æi ë nhiÖt ®é 103 - 1050C, sau ®ã ®em c©n. b. TÝnh to¸n kÕt qu¶ SS = V ba 1000).(  (mg/l) Trong ®ã: a: khèi l−îng cÆn vμ giÊy läc sau khi sÊy (mg) b: khèi l−îng giÊy läc (mg) V: thÓ tÝch mÉu (ml) 2.4.2.3. X¸c ®Þnh nång ®é bïn MLSS [19] MLSS gåm bïn ho¹t tÝnh vμ chÊt r¾n l¬ löng cßn l¹i ch−a ®−îc vi sinh vËt kÕt b«ng. Thùc chÊt ®©y lμ hμm l−îng bïn cÆn (cã c¶ bïn ho¹t tÝnh vμ chÊt r¾n v« c¬ d¹ng l¬ löng ch−a ®−îc t¹o thμnh bïn ho¹t tÝnh). LÊy mét l−îng x¸c ®Þnh (ml) bïn ho¹t tÝnh cho vμo b¸t sø råi x¸c ®Þnh theo ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chÊt r¾n bay h¬i (®· tr×nh bμy ë trªn). §¬n vÞ cña MLSS lÊy theo mg/l. §©y lμ th«ng sè quan träng trong xö lÝ n−íc th¶i b»ng ph−¬ng ph¸p bïn ho¹t tÝnh. 2.4.2.4. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh chỉ số SVI bùn[19] B»ng c¸ch x¸c ®Þnh chØ sè thÓ tÝch cña bïn ho¹t tÝnh SVI: ChØ sè thÓ tÝch SVI ®−îc ®Þnh nghÜa lμ sè ml n−íc th¶i ®ang xö lí l¾ng ®−îc 1 gam bïn ( theo chÊt kh« kh«ng tro) trong 30 phót vμ ®−îc tÝnh nh− sau: Cho 1000 ml hçn hîp SVI = MLSS V 1000. (ml/g) SVI : chØ sè thÓ tÝch bïn ho¹t tÝnh. MLSS: khèi l−îng hçn hîp láng - r¾n thu ®−îc sau khi l¾ng trong (mg/l). V: thÓ tÝch mÉu thö (n−íc th¶i ®ang xö lÝ ®em l¾ng) ®Ó l¾ng trong èng ®ong 1 lÝt trong 30 phót (ml/l). M: sè gam bïn kh« ( kh«ng tro). 1000: hÖ sè qui ®æi mg ra gam. Gi¸ trÞ SVI ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng kÕt l¾ng cña bïn ho¹t tÝnh. Gi¸ trÞ ®iÓn h×nh cña SVI ®èi víi hÖ thèng bïn ho¹t tÝnh lμm viÖc ë nång ®é MLSS tõ 2000 ®Õn 3500mg/l th−êng n»m trong kho¶ng 80 – 150mg/l. 2.4.2.5. Ph−¬ng ph¸p ho¹t hãa bïn Cho bïn gièng vμo n−íc th¶i theo tØ lÖ 1 : 5, bæ sung c¸c chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt vμo hçn hîp bïn - n−íc th¶i theo tØ lÖ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1. Sôc khÝ kho¶ng 4 - 5 giê, sau ®ã cho l¹i vμo aeroten ®Ó dïng cho mÎ tiÕp theo. 2.4.2.6. Phương pháp xác định độ dày của màng sinh học. -Dùng thước đo có mức độ chính xác đến mm để đo đường kính của các hạt xốp dùng làm giá thể trước và sau khi tạo thành màng sinh học. Sau đó, lấy hiệu số giữa hai chỉ số trên ta thu được chỉ số về độ dày của màng sinh học. 2.4.2.7. X¸c ®Þnh hμm l−îng Nit¬ tæng sè [28] a. Hãa chÊt - H2SO4 ®Æc, CuSO4, K2SO4, H2SO4 0,1N, H2SO4 0,02N. - NaOH 40%, H3BO3 3 %, HCl lo·ng, H2O2 30%. - ChØ thÞ Taxiro: hçn hîp 2:1 cña dung dÞch metyl ®á 0,1% trong r−îu vμ metylen xanh 0,1% trong r−îu etylic. b. Ph−¬ng ph¸p tiÕn hμnh - Ph¸ mÉu theo ph−¬ng ph¸p Kendal: Hót 10 ml mÉu cho vμo b×nh Kendal. Chó ý ®Ó mÉu vËt kh«ng dÝnh b¸m lªn thμnh cæ b×nh. Cho tiÕp vμo b×nh Kendal 5 ml H2SO4 ®Æc. Thªm 0,5 g hçn hîp xóc t¸c CuSO4 vμ K2SO4 theo t× lÖ 1:3, l¾c ®Òu. §Ëy b×nh b»ng mét chiÕc phÔu nhá råi ®Æt lªn bÕp ®un. §un nhÑ 15 phót, sau ®ã míi ®un m¹nh ®Õn s«i. Khi dung dÞch cã mμu xanh nhạt trong suốt th× ®un tiÕp 15 phót n÷a. LÊy ra ®Ó nguéi, chuyÓn toμn bé dung dÞch vμo b×nh ®Þnh møc 100 ml, dïng n−íc cÊt tr¸ng b×nh ®èt vμ lªn thÓ tÝch ®Õn v¹ch ®Þnh møc. Nit¬ trong n−íc th¶i ®−îc chuyÓn vÒ d¹ng amonisunphat. §Ó x¸c ®Þnh Nit¬ ë d¹ng nμy ta dïng ph−¬ng ph¸p chuÈn ®é. - CÊt vμ chuÈn ®é x¸c ®Þnh ammoniac: Dïng kiÒm ®Æc NaOH 40% cho vμo b×nh n−íc cÊt chøa dung dÞch sau khi ph¸ mÉu, khi ®ã x¶y ra ph¶n øng: (NH4)2SO4 + 2 NaOH 2NH3 + H2O + Na2SO4 Dïng axit boric 3 % ®Ó hÊp phô NH3, sö dông chØ thÞ mμu taxiro: NH3 + H3BO3 (NH4)3BO3 Dïng dung dÞch axit H2SO4 0,02 N ®Ó chuÈn l¹i l−îng s¶n phÈm t¹o thμnh (NH4)3BO3 + H2SO4 H3BO3 + (NH4)2SO4 c. TÝnh to¸n kÕt qu¶ NTS (g/l) = Vm ba . 100.28.0).(  a: sè ml H2SO4 0,02 N dïng ®Ó chuÈn ®é mÉu ph©n tÝch b: sè ml H2SO4 0,02 N dïng ®Ó chuÈn ®é mÉu tr¾ng. 0,28: sè mg Nit¬ øng víi 1 ml H2SO4 0,02 N. m: sè ml mÉu ®em ®i ph¸ mÉu. V: sè ml mÉu lÊy ®Ó ph©n tÝch tõ b×nh ®Þnh møc 100 ml. 100: thÓ tÝch b×nh ®Þnh møc. 2.4.2.8. X¸c ®Þnh pH §Ó x¸c ®Þnh pH cña mÉu n−íc, chóng t«i kiÓm tra b»ng m¸y ®o pH. 2.4.2.9. X¸c ®Þnh COD (TCVN 6491:1999, ISO 6060: 1989- ChÊt l−îng n−íc - X¸c ®Þnh nhu cÇu oxi hãa häc) a. Hãa chÊt - B¹c sunfat - axit sunfuric (Ag2SO4 - H2SO4) Cho 10g b¹c sunfat (Ag2SO4) vμ 35ml n−íc. Cho tõ tõ 965 ml axit sunfuric ®Æc (ρ = 1.84g/ml), ®Ó 1 hoÆc 2 ngμy cho tan hÕt. KhuÊy dung dÞch ®Ó t¨ng thªm nhanh sù ®iÒu hßa. - Dung dÞch kali bicromat C©n 12,259 g kali bicromat ®· sÊy kh« ë 1050C trong 2 giê, hßa tan vμo n−íc cÊt vμ ®Þnh møc ®Õn 1000ml. - Dung dÞch muèi Mohr: S¾t (II) amoni sunfat, dung dÞch chuÈn cã nång ®é, c[(NH4)2Fe(SO4)2.6H2O]  0.12mol/l Hßa tan 47.0g s¾t (II) amoni sunfat ngËm 6 ph©n tö n−íc (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O) vμo n−íc cÊt. Thªm 20ml axit sunfuric ®Æc (ρ = 1.84g/ml). §Ó nguéi vμ thªm n−íc cÊt cho ®ñ 1000ml (ChuÈn l¹i dung dÞch muèi Mohr b»ng dung dÞch K2Cr2O7 tr−íc khi dïng). Dung dÞch nμy ph¶i chuÈn l¹i hμng ngμy theo c¸ch nh− sau: Pha lo·ng 10.0ml dung dÞch kali dicromat ®Õn kho¶ng 100ml víi axit sunfuric. ChuÈn ®é dung dÞch nμy b»ng dung dÞch s¾t (II) amoni sunfat nãi trªn sö dông 2 hoÆc 3 giät chØ thÞ feroin Nång ®é cña s¾t (II) amoni sunfat (mol/l) ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: V c = V dung dÞch K2Cr2O7 × 0,25 Trong ®ã: V lμ thÓ tÝch dung dÞch s¾t (II) amoni sunfat tiªu (ml) - Thñy ng©n sunfat (HgSO4): lo¹i tinh dïng cho ph©n tÝch hãa häc. - ChØ thÞ ferroin Hßa tan 0,7 g FeSO4.7H2O cïng víi 1,5 g chÊt 1, 10 - phenantrolindihidrat trong n−íc, l¾c cho ®Õn khi tan hÕt. Pha lo·ng thμnh 100 ml. b. ThiÕt bÞ, dông cô - Bé ch−ng cÊt håi l−u gåm cã 1 b×nh cÇu chÞu nhiÖt cã cæ nh¸m nèi víi 1 èng sinh hμn. - BÕp ®un - Buret chÝnh x¸c - H¹t thñy tinh th« ®−êng kÝnh 2mm ®Õn 3mm. c. C¸ch tiÕn hμnh Cho 10 ml mÉu vμo b×nh cÇu, thªm 5 ml dung dÞch kali bicromat, thªm 0,4 g thñy ng©n sunfat. Thªm vμi h¹t thñy tinh vμo mÉu thö vμ l¾c trén ®Òu. Thªm tõ tõ 15 ml dung dÞch b¹c sunfat trong axit sunfuric vμ nhanh chãng l¾p b×nh vμo èng sinh hμn. §−a hçn hîp ph¶n øng tíi s«i trong 10 phót vμ tiÕp tôc ®un 110 phót n÷a. NhiÖt ®é cña hçn hîp ph¶n øng cÇn ph¶i ®¹t lμ 1480C. Lμm nguéi ngay b×nh cÇu b»ng n−íc l¹nh cho ®Õn kho¶ng 600C vμ röa èng sinh hμn b»ng n−íc cÊt. Pha lo·ng hçn hîp ph¶n øng ®Õn 75 ml vμ lμm nguéi ®Õn nhiÖt ®é phßng. ChuÈn ®é l−îng kali bicromat d− b»ng s¾t (II) amoni sunfat, sö dông 1 hoÆc 2 giät chØ thÞ feroin. TiÕn hμnh phÐp thö tr¾ng song song cho mçi lÇn x¸c ®Þnh theo qui tr×nh ®· tiÕn hμnh víi mÉu thö, thay thÕ 10 ml mÉu thö b»ng 10 ml n−íc cÊt. Nhu cÇu COD ( mgO2/l) ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: COD = 0 21 8000.).( V cVV  (mg/l) Trong ®ã: c: nång ®é cña s¾t (II) amoni sunfat (mol/l). V0: thÓ tÝch mÉu thö (ml). V1: thÓ tÝch cña s¾t (II) amoni sunfat sö dông khi chuÈn ®é mÉu tr¾ng (ml). V2: thÓ tÝch cña s¾t (II) amoni sunfat sö dông khi chuÈn ®é mÉu thö (ml). 8000: khèi l−îng mol cña 1/2 O2 (mg/l) 2.4.2.10. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh BOD5 b»ng ph−¬ng ph¸p Winkler c¶i tiÕn [28] a. Nguyªn t¾c BOD lμ l−îng oxi cÇn thiÕt ®Ó oxi hãa c¸c chÊt h÷u c¬ cã trong n−íc b»ng vi sinh vËt (chñ yÕu lμ vi khuÈn) ho¹i sinh, hiÕu khÝ. §©y lμ mét ®¹i l−îng ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é « nhiÔm (vÒ mÆt chÊt h÷u c¬ vμ vi sinh vËt cña n−íc). Ph−¬ng ph¸p Winkler dùa trªn sù oxi hãa Mn+2 thμnh Mn+4 bëi l−îng oxi hßa tan trong n−íc. NÕu n−íc kh«ng cã oxi hßa tan th× kÕt tña Mn(OH)2 vÉn gi÷ mμu tr¾ng sau khi thªm dung dÞch iodua - kiÒm vμo mÉu cã s½n MnSO4. NÕu mÉu cã oxi hßa tan th× mét phÇn Mn+2 bÞ oxi hãa thμnh Mn+4 cã mμu n©u theo ph¶n øng: L−îng oxi hßa tan trong ph¶n øng trªn ®−îc ®Þnh ph©n gi¸n tiÕp qua l−îng iod sinh ra khi MnO2 tiÕp tôc t¸c dông víi iodua khi thªm dung dÞch iodua – kiÒm vμo mÉu theo ph¶n øng: b. Dông cô: - B×nh ñ BOD 300 ml - Buret 25 ml - C©n ph©n tÝch - Pipet 2 ml - B×nh ®Þnh møc Mn+2 + 2OH- + 1/2O2 MnO2 + H2O MnO2 + 2I- + 4H+ Mn+2 + I2 + H2O 2S2O3-2 + I2 S4O6-2 + 2I- - Phßng ñ l¹nh 200C c. Hãa chÊt * Dung dÞch ph©n tÝch - Axit sunfuric H2SO4 98% - Hå tinh bét 1%: hßa tan 1 g hå tinh bét trong 100 ml n−íc, ®un nãng. Thªm dung dÞch I2 - KI 0,01 mol/l cho tíi khi cã ¸nh xanh, thªm mét vμi h¹t HgI2 ®Ó b¶o vÖ dung dÞch. - Dung dÞch MnSO4 (Mix I): hßa tan 480 g MnSO4.4H2O, sau ®ã ®Þnh møc n−íc cÊt lªn 1000 ml. - Hçn hîp dung dÞch iod - kiÒm - azide (MixII): hßa tan 500 g NaOH vμ 135 g NaI ®Þnh møc n−íc cÊt lªn 1000 ml. Thªm vμo dung dÞch nμy 10 g NaN3 ®· hßa tan vμ ®Þnh møc trong 40 ml b»ng n−íc cÊt. - Dung dÞch Na2S2O3 0,025N: hßa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O vμ ®Þnh møc thμnh 1000 ml b»ng n−íc cÊt. * Hãa chÊt pha lo·ng: - Dung dÞch ®Öm phosphate: hßa tan 8,5 g KH2PO4 vμ 1,7 g NH4Cl vμo b×nh ®Þnh møc 1 lÝt, ®Þnh møc ®Õn 1000 ml b»ng n−íc cÊt. Dung dÞch ph¶i cã pH = 7.2. - Dung dÞch MgSO4: hßa tan 22,5 g MgSO4.7H2O trong n−íc cÊt vμ ®Þnh møc thμnh 1000 ml. - Dung dÞch CaCl2: hßa tan 27.5 g CaCl2 trong n−íc cÊt vμ ®Þnh møc thμnh 1000 ml. - Dung dÞch FeCl3: hßa tan 0,25 g FeCl3.6H2O trong n−íc cÊt vμ ®Þnh møc thμnh 1000 ml. - Dung dÞch axit vμ kiÒm 1 N: dïng ®Ó ®iÒu chØnh pH nÕu cÇn. * ChuÈn bÞ dung dÞch pha lo·ng mÉu LÊy chai to miÖng réng, cho t−¬ng øng c¸c dung dÞch ®Öm phosphate, MgSO4, FeCl3 mçi lo¹i 1 ml vμ thªm n−íc cÊt vμo thμnh 1000 ml. Thæi kh«ng khÝ s¹ch ë 200C vμo n−íc vμ l¾c nhiÒu lμm cho oxi b·o hßa (th−êng thæi khÝ kho¶ng h¬n 2 giê) * TØ lÖ pha lo·ng: Tïy thuéc vμo lo¹i n−íc mÉu mμ ta pha lo·ng víi c¸c møc ®é kh¸c nhau. Thø tù Nguån lÊy mÉu Kho¶ng gi¸ trÞ BOD5(mg/l) ThÓ tÝch mÉu (ml) ThÓ tÝch dung dÞch pha lo·ng (ml) HÖ sè pha lo·ng (lÇn) 1 R, L 0 – 6 1000 0 1 2 R, L, E 4 – 12 500 500 2 3 R, E 10 – 30 200 800 5 4 E, S 20 – 60 100 900 10 5 S 40 – 120 50 950 20 6 S, C 100 – 300 20 970 50 7 S, C 200 – 600 10 990 100 8 I, C 400 – 1200 5 995 200 9 I 1000 – 3000 2 998 500 10 I 2000 – 6000 1 999 1000 Trong ®ã: L: hå R: s«ng hoÆc hå chøa E: n−íc cèng sau khi xö lÝ sinh häc S: n−íc cèng æn ®Þnh hoÆc n−íc th¶i c«ng nghiÖp nhÑ C: n−íc cèng th« ( ch−a xö lÝ hoÆc æn ®Þnh) I: n−íc th¶i c«ng nghiÖp « nhiÔm nÆng c. C¸ch tiÕn hμnh: Rãt ®Çy mÉu vμo chai BOD cã dung tÝch 300 ml, tr¸nh bät b¸m trªn thμnh chai, ®Ëy nót lo¹i bá mÉu thõa. ñ 5 ngμy, t−íi n−íc cÊt lªn n¾p b×nh vμo mçi buæi s¸ng ®Ó tr¸nh bät khÝ, sau ®ã phñ lªn b×nh b»ng giÊy b¸o. Buång ñ cã nhiÖt ®é 200C. * X¸c ®Þnh DO5: - Cho 2 ml dung dÞch Mix I vμ 2 ml dung dÞch Mix II vμo mÉu sau khi ñ 5 ngμy råi ®Ëy nót vμ l¾c m¹nh ®Ó ph¶n øng x¶y ra hoμn toμn. - §îi kÕt tña l¾ng yªn, cho thªm 2 ml H2SO4 98% råi l¾c m¹nh ®Ó hßa tan hÕt kÕt tña. - Dïng èng ®ong lÊy 203 ml mÉu sau khi cho hãa chÊt. - ChuÈn ®é b»ng dung dÞch Na2S2O3 0,025N tíi lóc mÉu chuyÓn sang mμu vμng chanh th× cho thªm 1 - 3 giät hå tinh bét, sau ®ã l¾c nhÑ vμ chuÈn ®é tiÕp cho ®Õn khi mÉu b¾t ®Çu mÊt mμu. - Ghi l¹i thÓ tÝch Na2S2O3 (ml) ®· dïng, thÓ tÝch nμy ®óng b»ng nång ®é DO5 (mg/l). - TiÕn hμnh song song víi mét mÉu n−íc cÊt cã sôc khÝ b·o hßa. * X¸c ®Þnh DO0: X¸c ®Þnh gièng DO5 nh−ng lμm trªn mÉu võa lÊy vÒ kh«ng ñ (x¸c ®Þnh ngay sau khi chuÈn bÞ mÉu xong). C«ng thøc tÝnh: BOD5(mg/l) = D00 – DO5 P Chó ý: cø 1 ml dung dÞch Na2S2O3.H2O 0,025N t−¬ng øng 0,2 mg DO nªn mçi ml chuÈn ®é t−¬ng øng 1 mg DO/l khi mÉu n−íc ban ®Çu lμ 203 ml (1ml O2 = 0,7*1mg O2/l). Trong ®ã: DO0: nång ®é DO cña hçn hîp mÉu vμ dung dÞch cÊy tr−íc khi ñ. DO5: nång ®é DO cña hçn hîp mÉu vμ dung dÞch cÊy sau khi ñ 5 ngμy. P: V1/V2. V1: thÓ tÝch mÉu. V2: thÓ tÝch mÉu vμ dung dÞch cÊy. 2.4.3 Ph−¬ng ph¸p vi sinh 2.4.3.1 Ph−¬ng ph¸p ®Þnh l−îng vi sinh vËt b»ng ph−¬ng ph¸p ®Õm sè khuÈn l¹c trªn th¹ch ®Üa [7, 21, 22,30] a. Pha lo·ng mÉu - Hót 1 ml n−íc th¶i vμo èng nghiÖm thø nhÊt cã chøa 9 ml n−íc cÊt v« khuÈn. - Trén ®Òu dung dÞch b»ng c¸ch hót lªn råi thæi xuèng 3 - 5 lÇn. §é pha lo·ng mÉu lóc nμy lμ 10- 1. - TiÕp tôc hót 1 ml ë èng nghiÖm thø nhÊt cho vμo èng nghiÖm thø hai chøa 9 ml n−íc cÊt v« khuÈn. - Trén ®Òu nh− trªn. §é pha lo·ng mÉu lóc nμy lμ 10-2. - Cø tiÕp tôc nh− vËy ®Ó cã mÉu ë c¸c ®é pha lo·ng 10-3, 10-4, 10-5, 10-6,… Tïy theo nång ®é vi sinh vËt −íc ®o¸n trong mÉu mμ tiÕn hμnh pha lo·ng mÉu víi c¸c tØ lÖ kh¸c nhau. b. C¸ch tiÕn hμnh - ChuÈn bÞ m«i tr−êng th¹ch ®Üa: m«i tr−êng MPA, Czapek, Hansen ®−îc khö trïng ë 1 atm trong 30 phót, ®æ vμo c¸c ®Üa petri v« trïng, chê th¹ch ®«ng vμ kh« mÆt th¹ch. - Ghi vμo ®¸y ®Üa petri cã m«i tr−êng th¹ch thÝch hîp víi tõng lo¹i vi sinh vËt c¸c th«ng tin: + Nång ®é pha lo·ng + Ngμy cÊy - Dïng pipetman g¾n ®Çu c«n v« trïng lÊy tõ c¸c ®é pha lo·ng thÝch hîp nhá vμo mçi ®Üa petri 0,1 ml (t−¬ng ®−¬ng víi 2 giät dÞch ), mçi ®é pha lo·ng ®−îc lÆp l¹i 3 lÇn. Dïng que g¹t v« trïng dμn ®Òu dÞch tÕ bμo lªn kh¾p bÒ mÆt th¹ch. Sè tÕ bμo cÊy trªn bÒ mÆt th¹ch ph¶i ®−îc dμn ®Òu vμ kh«ng nªn v−ît qu¸ vμi tr¨m. - C¸c ®Üa petri ®· ®−îc cÊy dÞch tÕ bμo, gãi kÝn vμ ®Æt óp ng−îc ®Üa trong tñ Êm 370C. Sau 24 giê ®Õm sè khuÈn l¹c trong mçi ®Üa. c. C¸ch ®Õm - LÊy bót ch× kÎ hai ®−êng vu«ng gãc d−íi ®¸y ®Üa Petri vμ ®¸nh dÊu thø tù tõng vïng I, II, III, IV. - §Õm sè khuÈn l¹c trong tõng vïng, nhí ®¸nh dÊu c¸c khuÈn l¹c ®· ®Õm. - Sè l−îng tÕ bμo vi sinh vËt trong 1 ml mÉu ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau ®©y: Sè tÕ bμo n ml mÉu v = . D Trong ®ã: n: sè khuÈn l¹c trung b×nh trong mét ®Üa petri ë mét ®é pha lo·ng nhÊt ®Þnh. v: thÓ tÝch dÞch mÉu ®em cÊy. D: hÖ sè pha lo·ng 2.4.3.2 Ph−¬ng ph¸p ph©n lËp vi khuÈn tõ bïn ho¹t tÝnh và màng sinh học [2, 30, 38] a. Pha lo·ng mÉu ( tiÕn hμnh t−¬ng tù nh− trªn) b. CÊy mÉu - ThÓ tÝch c¸c mÉu ®−îc cÊy lªn th¹ch ®Üa th−êng lμ 0,1 ml. - LÊy que g¹t v« khuÈn ph©n bè ®Òu mÉu trªn bÒ mÆt th¹ch. §Ëy n¾p ®Üa l¹i ®Ó thÊm hót hÕt mÉu trong vμi phót. - Úp ng−îc ®Üa th¹ch råi ®em ñ trong tñ Êm ë 370C. c. Chän khuÈn l¹c ®Æc tr−ng vμ x¸c ®Þnh h×nh th¸i khuÈn l¹c - Chän nh÷ng khuÈn l¹c ®Æc tr−ng, lÊy mét vßng que cÊy khuÈn l¹c cho vμo n−íc cÊt v« trïng, sau ®ã pha lo·ng víi c¸c nång ®é thÝch hîp, chän nång ®é pha lo·ng sao cho khi cÊy 0,1 ml vμo ®Üa th¹ch sÏ xuÊt hiÖn c¸c khuÈn l¹c gièng nhau riªng rÏ. - §Æt vμo tñ Êm 370C trong 24 giê. - TiÕn hμnh quan s¸t c¸c khuÈn l¹c nμy tõ c¸c phÝa (tõ trªn xuèng, tõ bªn c¹nh), chó ý vÒ kÝch th−íc, h×nh d¹ng mÐp, h×nh d¹ng khuÈn l¹c, bÒ mÆt, ®é dμy, cã nóm hay kh«ng, ®é trong, mμu s¾c (trªn, d−íi, cã khuÕch t¸n ra m«i tr−êng hay kh«ng). 2.4.3.3 Ph−¬ng ph¸p nhuém Gram [7, 21 ] §©y lμ ph−¬ng ph¸p nhuém vi khuÈn cña Christian Gram. Nhuém Gram kh«ng nh÷ng gióp ph©n biÖt vi khuÈn nhê c¸c ®Æc ®iÓm h×nh th¸i vμ sù s¾p xÕp cña tÕ bμo mμ cßn cung cÊp th«ng tin vÒ líp vá tÕ bμo. Khi nhuém theo ph−¬ng ph¸p nμy, tÕ bμo vi khuÈn Gram d−¬ng cã líp vá tÕ bμo dμy t¹o bëi peptidoglycan sÏ cã mμu tÝm, cßn vi khuÈn Gram ©m cã líp vá tÕ bμo máng h¬n (do cã Ýt peptidoglycan h¬n) vμ ®−îc bao bäc bëi mét líp mμng máng sÏ cã mμu hång. a. Hãa chÊt Gentian violet 1g R−îu ªtylic 960 10ml Phªnol ®· tinh chÕ l¹i 5g N−íc cÊt 100ml 1) 2) b. C¸ch tiÕn hμnh - Dïng que cÊy lÊy tõ 1 ®Õn 2 giät canh tr−êng chøa vi khuÈn cÇn quan s¸t b«i lªn phiÕn kÝnh råi ®Ó kh«. - Cè ®Þnh vÕt b«i b»ng c¸ch h¬ nhÑ phiÕn kÝnh lªn ngän löa ®Ìn cån. - Nhuém tÝm gentian trong 1 phót råi röa b»ng n−íc cÊt kh«ng qu¸ 2 gi©y (cho dßng n−íc ch¶y nhÑ qua tiªu b¶n, tr¸nh kh«ng xèi lªn vÕt b«i). - Ng©m trong dung dÞch lugol 1 phót. - TÈy mμu b»ng cån trong 30 gi©y vμ röa l¹i b»ng n−íc cÊt. - Lμm kh« vÕt b«i vμ nhuém bæ sung b»ng dung dÞch fuchsin trong 10 – 30 giây. - Röa l¹i b»ng n−íc cÊt råi h¬ qua ®Ìn cån cho kh«. - Quan s¸t d−íi kÝnh hiÓn vi quang häc cã ®é phãng ®¹i 1000 lÇn. - KÕt qu¶: TÕ bμo b¾t mμu tÝm lμ vi khuÈn Gram +, tÕ bμo b¾t mμu hång lμ vi khuÈn Gram -. 2.4.3.4 Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh sù cã mÆt cña vi khuÈn nitrate hãa Pha mét l−îng n−íc cã (NH4)2SO4 vμ mét l−îng n−íc th¶i víi bïn, l¾c trong mét thêi gian thÝch hîp (kho¶ng 1 -2h), ph©n tÝch l−îng NH4+ ®Çu vμ cuèi, nÕu NH4+ gi¶m th× chøng tá cã vi khuÈn nitrate hãa. Sau khi l¾c ®Ó yªn, ph©n tÝch l−îng NO3- ®Çu vμ cuèi, nÕu gi¶m th× chøng tá cã vi khuÈn ph¶n nitrate hãa. 2.4.4 Ph−¬ng ph¸p hãa sinh 2.4.4.1 Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh c¸c ho¹t tÝnh enzyme cña bïn ho¹t tÝnh và màng sinh học Khi c¸c enzyme amylase, protease, cellulose t¸c dông lªn c¬ chÊt thÝch hîp lÇn l−ît lμ tinh bét tan, casein, CMC trong m«i tr−êng th¹ch, c¬ chÊt bÞ ph©n gi¶i lμm cho ®é ®ôc cña m«i tr−êng bÞ gi¶m ®i, m«i tr−êng trë nªn trong suèt. §é trong suèt ®−îc t¹o ra cña m«i tr−êng tØ lÖ víi ®é ho¹t ®éng cña enzyme. C¸ch tiÕn hμnh: - ChuÈn bÞ m«i tr−êng th¹ch cã chøa c¬ chÊt thÝch hîp (tinh bét tan, casein, CMC) ®−îc ph©n ®Òu vμo c¸c ®Üa petri. Sau khi th¹ch ®«ng, ®ôc nh÷ng giÕng nhá cã ®−êng kÝnh 8 mm trªn bÒ mÆt th¹ch, dïng pipetman lÊy dÞch bïn cÊy vμo c¸c lç khoan, gi÷ ë 370C. Sau 24 giê, kiÓm tra vßng ph©n gi¶i cña bïn. - Sau mét thêi gian thÝ nghiÖm + Nhá dung dÞch lugol, nÕu bïn cã ho¹t tÝnh sinh enzyme amylase vμ cellulose sÏ t¹o thμnh c¸c vßng s¸ng xung quanh giÕng th¹ch. + Nhá dung dÞch HgCl2, nÕu bïn cã ho¹t tÝnh sinh enzyme protease sÏ t¹o thμnh c¸c vßng s¸ng xung quanh giÕng th¹ch. 2.4.4.2 Ph−¬ng ph¸p kiÓm tra ho¹t tÝnh amylase, protease, cellulase cña c¸c lo¹i vi khuÈn Khi c¸c enzyme amylase, protease, cellulase t¸c dông lªn c¬ chÊt thÝch hîp (tinh bét tan, casein, CMC) trong m«i tr−êng th¹ch, c¬ chÊt bÞ ph©n gi¶i lμm cho ®é ®ôc cña m«i tr−êng bÞ gi¶m ®i, m«i tr−êng trë nªn trong suèt. §é trong suèt ®−îc t¹o ra cña m«i tr−êng tØ lÖ víi ®é ho¹t ®éng cña enzyme. C¸ch tiÕn hμnh: - ChuÈn bÞ m«i tr−êng th¹ch cã chøa c¬ chÊt thÝch hîp (tinh bét tan, casein, CMC) ®−îc ph©n ®Òu vμo c¸c ®Üa petri. - CÊy chÊm ®iÓm c¸c chñng vi khuÈn lªn bÒ mÆt th¹ch. Sau 24 giê ñ ë 370C, kiÓm tra vßng ph©n gi¶i xuÊt hiÖn xung quanh khuÈn l¹c. - Nhá dung dÞch lugol, nÕu bïn cã ho¹t tÝnh sinh enzyme amylase vμ cellulase sÏ t¹o thμnh c¸c vßng s¸ng xung quanh giÕng th¹ch. - Nhá dung dÞch HgCl2, nÕu bïn cã ho¹t tÝnh sinh enzyme protease sÏ t¹o thμnh c¸c vßng s¸ng xung quanh giÕng th¹ch. 2.4.4.3 Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng sinh enzyme catalase [2, 22] Nhá mét giät dung dÞch H2O2 nång ®é 10% lªn phiÕn kÝnh, dïng ®Çu que cÊy lÊy mét Ýt vi khuÈn míi ho¹t hãa (24h) trén vμo giät H2O2 trªn phiÕn kÝnh. NÕu chñng vi khuÈn nμo sinh enzyme catalase sÏ t¹o thμnh bät khÝ trªn phiÕn kÝnh. 2.4.5. Ph−¬ng ph¸p xö lÝ sè liÖu Ứng dông phÇn mÒm Word, Excel ®Ó xö lí c¸c sè liÖu. Chương 3: Kết quả và biện luận 3.1. Đánh giá chất lượng nước thải đô thị trên kênh Tân Hóa tại cầu Hòa Bình quận 11 Tp. Hồ Chí Minh. Trước khi chọn lựa phương pháp xử lí nước thải thì việc đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nước là quan trọng nhất, vì đây là cơ sở giúp cho ta chọn lựa được phương pháp thích hợp nhất cho việc xử lí nước thải. Nguồn gốc của nước thải, các chỉ tiêu của nước thải là COD, BOD5, pH, thành phần vi sinh vật là quan trọng nhất. Kênh Tân Hóa là con kênh kéo dài gần 20 km, nằm trên địa bàng của nhiều quận. Nước thải dùng cho quá trình nghiên cứu được lấy tại kênh Tân Hóa đoạn đi qua đường Hòa Bình, Quận 11, Tp. Hồ Chí Minh. Đây là một trong những đoạn kênh tiếp nhận nhiều nguồn nước thải khác nhau như từ khu công nghiệp, nước thải của những nhà máy và xí nghiệp sản xuất trên địa bàng, và là nơi xả thải nước sinh hoạt của những hộ dân sống trên địa bàng khu vực này. Qua quá trình phân tích thì nước thải thuộc đoạn kênh này chứa nhiều chất hữu cơ, ngoài ra còn có những chất vô cơ hòa tan, cát, và nhiều chất lơ lửng.. Chúng tôi đã thực hiện lấy mẫu và phân tích từ tháng 7/ 2009 đến tháng 11/2009 và thu được các chỉ tiêu được trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Các chỉ tiêu hóa lí nước thải kênh Tân Hóa tại cầu Hòa Bình quận 11 Tp.HCM 0 100 200 300 400 500 COD 7 8 9 10 11 THỜI GIAN (tháng trong năm) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Biểu đồ 3.1. Chỉ tiêu COD của nước thải trên kênh Tân Hóa lấy mẫu tại cầu Hòa Bình quận 11 Thời gian COD BOD5 Nt Pt TS SS pH Cảm quan Tháng 7 Lần 1 450 270 30 5,25 205 89 7,00 Nước lấy kiểm tra đều có màu đen và mùi hôi thối Lần 2 380 225 35 5 183 87 6,9 Lần 3 425 276 40 7,51 197 90 7,2 Tháng 8 Lần 1 398 220 37,1 3,9 176,5 97 6,8 Lần 2 260 187 29,9 3,5 125 79 6,65 Lần 3 465 285 30,1 4,82 201 115 7,00 Tháng 9 Lần 1 359 200 34 3,71 174 112 6,55 Lần 2 415 285 23,5 4.1 186 132 6,7 Lần 3 340 219 22,1 4,15 157 81 6.91 Tháng 10 Lần 1 401 260 30 5,25 256 173 7,1 Lần 2 289 170 20,5 4,01 143 75 6,95 Lần 3 370 225 23,2 3,91 164 84 7 Tháng 11 Lần 1 480 290 25 4,9 295 185 7,4 Lần 2 375 215 31 5,2 205 137 6,9 Lần 3 350 228 30 5 198 108 7,2 050 100 150 200 250 300 BOD5 7 8 9 10 11 THỜI GIAN ( tháng trong năm) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Biểu đồ 3.2. Chỉ tiêu BOD5 của nước thải trên kênh Tân Hóa lấy mẫu tại cầu Hòa Bình quận 11 Kết quả bảng trên cho thấy mức độ ô nhiễm của nước thải trên đoạn kênh này khá cao, tuy nhiên cũng có sự thay đổi mà nguyên nhân chính là vào tháng 8, tháng 9 và tháng 10 là những tháng mưa nhiều. Như vậy khi so sánh với tiêu chuẩn quy định của nước thải theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 5945 - 1995 thì hầu như các chỉ tiêu đều vượt quá tiêu chuẩn nước thải loại B rất nhiều, chỉ có pH là đạt tiêu chuẩn. Về mặt cảm quan thì nước thải được lấy mẫu để phân tích lúc nào cũng có màu đen và mùi rất hôi thối. Bảng 3.2.Tiªu chuÈn ViÖt Nam TCVN 5945 – 1995 ChØ tiªu Møc cho phÐp A B COD (mg/l) <50 <100 BOD (mg/l) <20 <50 SS (mg/l) <50 <100 pH 6,5 - 7,5 6 – 9 Vi sinh vật sống trong nước thải là yếu tố rất quan trọng trong quá trình xử lí nước thải chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành phân tích thành phần và số lượng vi sinh vật được trình bày trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Số lượng vi sinh vật trong nước thải kênh Tân Hóa lấy mẫu tạicầu Hòa Bình quận 11 Tp. HCM Về mặt vi sinh vật trong nước thải thì vi khuẩn chiếm phần lớn trong thành phần vi sinh của nước thải. Nấm mốc và nấm men tuy có mặt nhưng với số lượng ít hơn nhiều. Nguyên nhân chính nước thải không phải môi trường thuận lợi cho nấm mốc và nấm men phát triển. Qua những đánh giá ban đầu như trên cho thấy nước thải thuộc đoạn kênh này ô nhiễm nặng, tỉ số COD/BOD5 ≤ 2, tỉ số BOD5 : N tổng : P tổng ≤ 100 : 5: 1, đồng thời số lượng vi khuẩn trong nước thải là rất nhiều. Từ những cơ sở trên chúng tôi quyết định xử lí nước thải này bằng phương pháp sinh học. Chúng tôi lựa chọn phương pháp hợp khối hiếu khí aroten và lọc sinh học là phương pháp xử lí nước thải này, kết hợp với việc khảo sát vai trò của vi sinh vật trong quá trình xử lí nước thải. 3.2. Nghiên cứu xử lí nước thải theo mẻ 3.2.1. Chế tạo mô hình hợp khối Để thực hiện đề tài nghiên cứu thì trước nhất phải chế tạo mô hình, chính vì vậy chúng tôi đã tiến hành chế tạo mô hình như sau: Các vật liệu dùng chế tạo mô hình gồm: thùng nhựa 80 – 100l, mô hình hợp khối chế tạo bằng thủy tinh 50 lít, thùng nhựa 40l, máy nén khí 8 đầu phun, các van và ống nước bằng nhựa PVC, lưới lọc inox kích thước 1 – 2mm, vật liệu lọc là những hạt xốp d = 0,5 cm. Bể thủy tinh dùng chế tạo mô hình hợp khối chia thành 4 ngăn nhỏ mỗi ngăn có thể tích như chú thích trong hình 3.1. Trong đó, có hai ngăn có nhồi hạt xốp dùng làm ngăn lọc xen kẽ với hai ngăn không nhồi hạt xốp dùng làm aeroten. Thùng nhựa 80 lít dùng làm bể điều hòa và bể lắng sơ cấp của nước thải đầu vào. Thùng nhựa 50 lít dùng làm bể lắng thứ cấp của nước thải sau khi xử lí. Thời gian lấy mẫu Vi khuẩn Nấm mốc Nấm men Tháng 7 Lần 1 5.106 2.103 102 Lần 2 6.107 3.102 102 Lần 3 4.106 2.103 2.102 Tháng 8 Lần 1 7.105 103 102 Lần 2 2.104 8.102 102 Lần 3 3.104 2.103 102 Tháng 9 Lần 1 3,5.105 4.103 102 Lần 2 3.105 2.103 102 Lần 3 4,5.105 103 2.102 A1: Aroten 1 (20 lít) A2: Aroten 2 (10 lít) L1: Lọc 1 ( 10 lít) L2: Lọc 2 ( 10 lít) Cơ chế hoạt động của mô hình hợp khối như sau: Nước thải sau khi được lấy về sẽ được đưa vào bể điều hòa thông qua lưới lọc nhằm để tách rác có kích thước lớn ra khỏi nước thải. Đồng thời tại bể điều hòa này thì những cát và những thành phần không hòa tan, có kích thước lớn trong nước thải sẽ lắng xuống và loại bỏ qua van xả sau này. Nước sau khi ở bể điều hòa 2 – 3 giờ sẽ được cho chạy sang bể hợp khối. Tại đây, nước sẽ đi vào ngăn A1 và L1 vì giữa hai ngăn này là vách ngăn có các lỗ thông nhau. Nước khi vào ngăn A1 và L1 không thể sang A2 và L2 vì giữa chúng là vách ngăn kín. Tuy nhiên, sau một thời gian thì nước sẽ dâng lên và tràn sang ngăn A2 và L2, đồng thời giữa hai ngăn A2 và L2 này cũng có những lỗ thông nhau qua vách ngăn. Tại ngăn L2 sau khi nước dâng lên đầy sẽ tràn ra ngoài thông qua van xả vào bể lắng thứ cấp. Tại bể hợp khối, để cung cấp oxi cho hoạt động hiếu khí của vi khuẩn nhằm tạo thành lượng bùn hoạt tính tối ưu có SVI = 80 – 150ml/L và màng sinh học có chiều dày tối ưu là d = 1 – 4 mm thì chúng tôi đã bố trí máy nén khí với công suất 55W. Khí từ máy nén khí sẽ được đưa vào bể hợp khối từ dưới lên qua các ống dẫn và phân tán khí nhằm cung cấp oxi đều cho bể. Việc cung cấp oxi sẽ giúp cho vi khuẩn hoạt động và gia tăng nhanh sinh khối. Bể điều hòa (Nước vào) Bể lắng ( Nước sau xử lí) A1 L1 A2 L2 Máy nén khí Hình 3.1. Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm 1. Thùng điều hòa 2. Bể xử lí hợp khối 3. Bể lắng và xử lí N 4. Máy sục khí và hệ thống vòi phun khí 3.2.2. Nghiên cứu xử lí nước thải theo mẻ Để ứng dụng aroten và lọc sinh học xử lí nước thải thì điều quan trọng nhất là phải tạo được bùn hoạt tính và màng sinh học đạt tiêu chuẩn và làm việc ổn định. Chính vì vậy mà phải tiến hành xử lí nước thải theo mẻ với những thời gian khác nhau nhằm xác định thời gian cho mô hình làm việc ổn định cũng như tạo bùn hoạt tính và màng sinh học tối ưu. Nước đầu vào để tiến hành chạy theo mẻ có thông số đầu vào chung như sau: Bảng 3.4. Thông số của nước thải trước khi xử lí C¸c chØ sè Hμm l−îng C¶m quan COD (mg/l) 383 - 460 Mμu ®en, mïi h«i thèi BOD5 (mg/l) 250 - 290 1 2 3 4 Hình 3.2. Mô hình thí nghiệm Tæng N (mg/l) 25 - 40 Tæng P (mg/l) 4 – 7,5 SS 150 - 167 pH 6,5 – 7,5 Với những số liệu trên thì chúng tôi thấy rằng nước thải ở địa điểm này hoàn toàn phù hợp với phương pháp xử lí hiếu khí trên mô hình hợp khối. Chúng tôi đã tiến hành chạy 6 mẻ nối tiếp nhau với thời gian giảm dần qua từng mẻ. Mẻ 1: nước thải được đưa vào bể hợp khối mà không có bổ sung bùn giống, bùn và màng sẽ được tự tạo thành sau 60 h sục khí tích cực. Mẻ 2: nước thải được đưa vào bể hợp khối xử lí trong 50 h trên nền bùn và màng sinh học đã dần hình thành của mẻ 1. Chúng tôi tiếp tục thực hiện tương tự như trên ở 4 mẻ còn lại với thời gian giảm dần theo từng mẻ là 40, 30, 20 và 10h. Một lưu ý ở đây là chúng tôi không thực hiện hồi lưu bùn sau mỗi mẻ vì bùn được tạo thành và đi ra theo nước đã xử lí là không đáng kể, đây chính là điểm ưu việt của mô hình hợp khối so với mô hình aeroten. Đồng thời với việc xử lí thì nước đầu ra sau mỗi mẻ được đưa qua bể lắng thứ cấp sau đó được đem đi phân tích các chỉ tiêu hóa lí và được kết quả trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Kết quả xử lí nước thải theo mẻ Chỉ tiêu Mẻ xử lí Kết quả xử lí theo thời gian 0h 10h 20h 30h 40h 50h 60h COD (mg/l) 1 460 400 355 315 290 255 225 2 455 385 325 260 205 165 3 415,5 285 205 165 110 4 383 271 189 95 5 396,8 156 67,8 6 405 49,5 1 290 260 200 170,5 151,1 140 131 2 278 225 186,5 167 139,5 115 BOD5 (mg/l) 3 255 195 158,7 115 81 4 250 135 97,3 68 5 255 115 54 6 287 38,1 pH 1 7,1 7,17 7,25 7,28 7,3 7,35 7,44 2 6,92 6,99 7,15 7,22 7,28 7,34 3 7,1 7,14 7,15 7,15 7,2 4 7,2 7,28 7,3 7,4 5 6,9 7,34 7,45 6 6,85 7,3 Chỉ tiêu Mẻ xử lí Kết quả xử lí theo thời gian 0h 10h 20h 30h 40h 50h 60h Cảm quan 1 Đen, thối Đen ít thối Vàng hơi thối Vàng tanh Hơi vàng ít tanh Hơi trong, hơi tanh Hơi trong, không mùi 2 Đen thối Vàng hơi thối Vàng hôi Hơi vàng tanh Trong, ít tanh Trong, không mùi 3 Đen, thối Vàng, hôi Vàng, tanh Trong, ít thanh Trong, không mùi 4 Đen, thối Vàng, tanh Trong, ít tanh Trong, không mùi 5 Đen, thối Trong, hơi tanh Trong, không mùi Như vậy ở mẻ 1 và 2 thì nước đầu ra vẫn chưa đạt tiêu chuẩn loại B vì các chỉ số COD và BOD5 còn khá cao. Nguyên nhân chính là ở những mẻ này bùn hoạt tính và màng sinh học đang dần được hình thành nên khả năng làm sạch nước chưa cao. Tuy nhiên ở những mẻ tiếp theo nước đầu ra luôn đạt được chỉ tiêu loại B, trong đó đặc biệt ở mẻ 6 thì nước đầu ra đạt chỉ tiêu B+. Nguyên nhân là ở những mẻ này thì lượng bùn hoạt tính cũng như màng sinh học đã tạo thành đến mức độ ổn định nên đạt hiệu suất làm sạch cao. Đồng thời qua khảo sát chúng tôi đã xác định được lượng bùn hoạt tính là 3,1 g/l và bề dày của màng sinh học là 3,5mm là tối ưu trong quá trình xử lí. Nước trước xử lí, đang xử lí, sau xử lí, bùn hoạt tính, màng sinh học được trình bày trong những hình 3.3. 6 Đen, thối Trong, không mùi Nước thải trước xử lí Nước thải sau xử lí Hỗn hợp nước và bùn để lắng 30 phút 3.2.3. Xác định số lượng vi sinh vật trong bùn hoạt tính và màng sinh học Sau khi đã tạo được lượng bùn hoạt tính và màng sinh học đạt mức ổn định và có khả năng làm sạch với hiệu suất cao, chúng tôi đã tiến hành kiểm tra lại số lượng vi sinh vật trong bùn và màng. Các số liệu được trình bày trong các bảng 3.6 và 3.7. Kết quả trên đem so sánh với bảng khảo sát sát vi sinh vật của nước thải ở bảng 3.3 thì ta thấy rằng số lượng vi khuẩn tăng lên rõ rệt, trong khi đó thì số lượng nấm mốc và nấm men lại giảm đi. Nguyên nhân do trong môi trường kiềm của nước thải chỉ thích hợp cho vi khuẩn phát triển nhưng lại là điều kiện bất lợi với nấm mốc và nấm men. Sự tăng lên của số lượng vi khuẩn, sự giảm đi của nấm mốc và nấm men cũng chứng minh rằng tác nhân chính sử dụng chất hữu cơ và làm sạch nước thải là vi khuẩn. 3.2.4. Xác định hoạt tính enzyme của bùn hoạt tính và màng sinh học Thμnh phÇn vi sinh vËt Sè l−îng (CFU/ml) Vi khuÈn 108 – 6.1010 NÊm men 102 NÊm mèc 10 Thμnh phÇn vi sinh vËt Sè l−îng (CFU/ml) Vi khuÈn 109 – 6.109 NÊm men 10 NÊm mèc 10 Bảng 3.6.Số lượng vi sinh vật trong bùn hoạt tính Bảng 3.7. Số lượng vi sinh vật trong màng sinh học Nước thải đang xử lí Màng sinh học bám vào giá thể Hình 3.3. Bùn hoạt tính, màng sinh học, nước thải trước và sau xử lí Việc xử dụng những chất hữu cơ có trong nước để làm sạch nước thải có liên quan mật thiết tới hoạt tính enzyme có trong bùn hoạt tính và màng sinh học. Vì vậy chúng tôi đã tiến hành khảo sát hoạt tính của các enzyme và kết quả được trình bày trong những hình 3.4 và 3.5. Hoạt tính cellulase của bùn hoạt tính Hoạt tính amylase của bùn hoạt tính Hoạt tính protease của bùn hoạt tính Hình 3.4. Hoạt tính sinh học của bùn hoạt tính Kết quả khảo sát trên cho thấy bùn hoạt tính và màng sinh học đều có khả năng phân giải những chất hữu cơ dễ phân giải như: tinh bột, protein và cellulose. Những chất hữu cơ trên là những chất thường xuất hiện trong nước thải đô thị, điều này chứng minh rằng bùn hoạt tính và màng sinh học có khả năng làm sạch nước thải đô thị. 3.2.5. Đặc điểm sinh học, hoạt tính của các chủng vi khuẩn có mặt trong bùn hoạt tính và màng sinh học Bùn hoạt tính và màng sinh học là tập hợp của nhiều chủng vi khuẩn khác nhau vì vậy chúng tôi đã tiến hành phân lập và nghiên cứu các đặc điểm sinh học của chúng, kết quả được trình bày trong các bảng 3.8, 3.9, 3.10 và 3.11. Hoạt tính amylase của màng sinh học Hoạt tính cellulase của màng sinh học Hoạt tính protease của màng sinh học Hình 3.5. Hoạt tính sinh học của màng sinh học Bảng 3.8. Hoạt tính enzyme của các chủng vi khuẩn trên màng sinh học Bảng 3.9. Hoạt tính enzyme của các chủng vi khuẩn trong bùn hoạt tính Bảng 3.10. Đặc điểm khuẩn lạc và tế bào của một số chủng vi khuẩn trên màng sinh học Chủng Amylase (mm) Cellulase (mm) Protease (mm) M1 6 20 - M2 4 8 12 M3 10 20 16 M4 - 12 9 M5 - 15 5 M6 12 - 10 M7 - - - M8 - 14 - M9 - 10 18 M10 - 10 10 M11 4 14 19 M12 8 14 15 M13 5 23 13 M14 - - 16 M15 7 15 18 M16 - 14 11 M17 - - 13 M18 - 12 - Chủng Amylase Cellulase Protease B1 6 7 17 B3 4 2 13 B5 - 18 B6 - 8 5 B7 - 11 B8 11 1 17 B9 5 - - B 0 4 2 15 B 1 13 - 9 B 3 8 3 - B 4 - - B15 1 14 - B16 4 8 11 B18 6 11 13 B19 5 17 11 B20 5 11 14 B21 - 11 9 B22 5 12 6 B23 4 11 9 B26 - 14 - B28 9 16 9 Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Hoạt tính catalase Nhuộm gram M1 Không đều To Hồng nhạt Que, to, kết thành chuỗi + _ M2 Tròn Nhỏ Trắng Trứng, đơn + _ M3 Tròn, nhô cao Nhỏ Trắng đục Trứng, đơn + _ M4 Tròn, phẳng To Trắng đục Trúng, đơn + _ M5 Tròn, nhẵn bóng Nhỏ Vàng Cầu hay trứng nhỏ, đơn _ + M6 Tròn, trơn, nhẵn Nhỏ Trong Trúng, đơn + _ M7 Nhẵn bóng, nhô cao Nhỏ Trong Cầu, đơn, nhỏ + _ M8 Mép răng cưa, nếp nhăn ở giữa nhô cao Nhỏ Trắng đục Cầu, rất nhỏ, đơn _ _ M9 Không đều, răng cưa To Trắng Trứng, đơn + _ Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Hoạt tính catalase Nhuộm gram Chủng Đặc điểm Chủng Đặc điểm M10 Không đều, phẳng, răng cưa To Trắng Trứng, đơn, nhỏ + + M11 Tròn, nếp nhăn nhô cao Nhỏ Trắng đục Trứng, đơn, to + + M12 Mép răng cưa, tròn, gờ tròn nhô cao Nhỏ Trắng đục Trứng, đơn, nhỏ + + M13 Tròn, nhô cao Nhỏ Trắng đục Que đơn hay kết chuỗi, to + _ M14 Không đều, nhô cao To Trắng đục Que, kết thành chuỗi, to + + M15 Tròn, mép răng cưa, nếp nhăn nhô cao Nhỏ Trắng Trứng, đơn, nhỏ + + M16 Không đều, mép xẻ To Trắng đục Que, đơn, to + _ M17 Không đều, răng cưa, phẳng To Trắng đục Trứng, to, đơn + + M18 Tròn, nhô cao, trơn bóng Nhỏ Trong Cầu, nhỏ, đơn + _ Bảng 3.11. Đặc điểm khuẩn lạc và tế bào của một số chủng vi khuẩn trong bùn hoạt tính Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Hoạt tính catalase Nhuộm gram B1 Không đều, mép răng cưa To Trắng đục Que, đơn, nhỏ + - B3 Khuẩn lạc tròn, khô Nhỏ Trắng đục Trứng, đơn, nhỏ + - B5 Không đều, phẳng, khô To Trắng đục Cầu, rất nhỏ, đơn + - B6 Nhô cao, khô Nhỏ Vàng Cầu, dính với nhau thành chùm, to + + B7 Tròn, có gờ nhô cao To Trắng đục Trứng, nhỏ, đơn + - B8 Không đều, răng cưa To Trắng Trứng, nhỏ, đơn + + B9 Tròn, gờ nhô cao Nhỏ Trắng Cầu, đơn, nhỏ + - B10 Không đều, To Trắng đục Trứng, rất nhỏ, đơn + - Chủng Đặc điểm Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Hoạt tính catalase Nhuộm gram B13 Tròn To Trắng đục Trứng, đơn, to + - B14 Tròn Nhỏ Trong Cầu, đơn, to + - B15 Không đều, răng cưa Nhỏ Trắng đục Trứng, to, đơn + + B16 Không đều, mép răng cưa To Trắng đục Trứng, nhỏ, đơn + + B18 Không đều, gờ nhỏ nhô cao Nhỏ Trắng đục Trứng, to, đơn + - B19 Không đều, nhô cao Nhỏ Trắng đục Trứng, to, đơn + + B20 Không đều, mép răng cưa Nhỏ Trắng đục Trứng, to, đơn + - B21 Tròn, khô Nhỏ Trắng đục Trứng, nhỏ, đơn + + B22 Không đều, khô Nhỏ Trắng đục Trứng, nhỏ, đơn + + Chủng Đặc điểm Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Hoạt tính catalase Nhuộm gram B23 Không đều To Trắng đục Cầu, to, đơn + - B26 Tròn, khô, có gờ nhô cao To Trắng Que, nhỏ, đơn + - B28 Không đều, phẳng khô To Trắng đục Trứng, đơn, nhỏ + - Kết quả nghiên cứu trên chứng minh rằng chính vi khuẩn có mặt trong bùn hoạt tính và màng sinh học là tác nhân chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ làm sạch nước thải. 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lí nước thải 3.3.1. Sự ảnh hưởng của pH Trong quá trình xử lí thì pH là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của vi khuẩn trong bùn hoạt tính và màng sinh học. Chính vì vậy việc tìm ra khoảng pH thích hợp cho vi khuẩn phát triển là vô cùng quan trọng. Cũng vì lý do trên mà chúng tôi đã tiến hành khảo sát xử lí nước thải với thời gian sục khí 10 giờ ở những pH khác nhau và kết quả được trình bày trong bảng 3.12. Nước được đưa vào thí nghiệm có cùng chỉ số như sau: COD (mg/l) = 455; BOD5(mg/l) = 250; SS = 167; màu đen và mùi hôi thối. Chủng Đặc điểm Bảng 3.12. Kết quả xử lý nước thải theo pH Các chỉ tiêu Kết quả xử lí nước thải theo pH tương ứng Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Mẫu 7 pH 8,5 COD mg/l 215 164,5 78 80 97 109 287 BOD5 mg/l 105 85 45 51 63 71 135 SS mg/l 87 65 48 50 51 55 90 Từ bảng số liệu trên ta có thể thấy với pH = 6,5 – 8,5 thì vi khuẩn hoạt động mạnh và cho hiệu suất làm sạch cao, và hiệu suất làm sạch mạnh nhất là ở pH = 7. Trong khi đó tại pH < 6 thì khả năng làm sạch của vi khuẩn kém. Nguyên nhân chính là do vi khuẩn tham gia trong quá trình làm sạch này là những vi khuẩn ưa kiềm. Mặc dù vậy từ bảng số liệu 3.12 cũng cho thấy rằng nếu pH quá kiềm > 8,5 thì vi khuẩn cũng bị ức chế và hoạt động kém đi. 3.3.2. Sự ảnh hưởng của chế độ thông khí Phương pháp xử lí nước thải trên mô hình hợp khối là phương pháp xử lý hiếu khí dựa