Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, thành phố Hồ Chí Minh trên mô hình aeroten

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Tố Linh NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ TỪ CỐNG XẢ NGUYỄN BIỂU, QUẬN 5, TP.HCM TRÊN MÔ HÌNH AEROTEN Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã số : 60 42 40 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LƯƠNG ĐỨC PHẨM Thành phố Hồ Chí Minh - 2009 MỞ ĐẦU  Tính cấp thiết của đề tài Thế kỉ 21 - thế kỉ của sự phát triển mạnh mẽ khoa học, kĩ thuật, kinh tế xã hội, cùng với đó là tình trạng dân số gia tăng nhanh chóng đang trở thành một trong những thách thức lớn đối với nhân loại khi nhu cầu sử dụng các nguồn tài nguyên, nhất là nước đang tăng lên một cách đáng kể. Ngày nay, nhiều đô thị lớn, các khu công nghiệp lớn đã đang và sẽ được thành lập, do đó lượng nước dùng cho sinh hoạt và sản xuất ngày càng gia tăng. Tp.HCM - một trong những đô thị lớn nhất nước ta với sự phát triển mạnh các ngành công nghiệp, dịch vụ và với số dân khoảng 8,5 triệu người (theo thống kê năm 2007) nên nhu cầu sử dụng nước rất lớn. Phần lớn các nhà máy xí nghiệp ít được trang bị các loại công trình xử lý nước ô nhiễm hoặc xử lý nên chưa đạt yêu cầu thải xả, nước thải sinh hoạt chủ yếu chỉ được xử lý trong các bể tự hoại ở từng hộ riêng rẽ hoặc tập trung ở bể tự hoại lớn của các khu chung cư. Như vậy, lượng nước thải đô thị phần lớn được xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý, các chỉ tiêu ô nhiễm ngày càng vượt xa tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần. Theo nghiên cứu, cứ 1 m3 nước thải bẩn khi xả ra sông, ao, hồ sẽ làm nhiễm bẩn khoảng 40 - 60 m3 nước sạch. Hiện nay, công tác xử lý nước thải ở Tp.HCM đang được quan tâm đúng mức, các đề tài nghiên cứu xử lý nước thải đang được triển khai rộng rãi nhằm kiểm soát tình hình ô nhiễm nước, có rất nhiều giải pháp xử lý nước được nghiên cứu và đã ứng dụng thành công ở nhiều nơi. Một trong những giải pháp xử lý nước thải đô thị đang được áp dụng rộng rãi hiện nay là xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí nhân tạo. Nhằm góp phần giảm thiểu ô nhiễm nước thải đô thị ở địa bàn Tp.HCM, đề tài triển khai “Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị từ cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, Tp.HCM trên mô hình aeroten” với mong muốn góp phần nhỏ bé vào việc làm sạch nước thải của thành phố và làm cho môi trường sống của chúng ta trong lành hơn.  Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị từ khu dân cư thông qua các thông số môi trường. - Nghiên cứu quá trình làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải sinh hoạt bằng vi sinh vật ở khu vực khu dân cư hai bên đường Nguyễn Biểu thải nước thải vào cống xả chung Nguyễn Biểu, quận 5, thành phố Hồ Chí Minh và bước đầu xử lí chất bẩn chứa N và P bằng phương pháp bùn hoạt tính dựa trên mô hình aeroten. - Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý thông qua các thông số môi trường.  Ý nghĩa của đề tài * í nghĩa khoa học Quá trình xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí trong điều kiện nhân tạo đã được nghiên cứu từ rất lâu, thích hợp với các loại nước thải có BOD < 500mg/l. Nước thải sau xử lý thường phân hủy được một lượng lớn các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật có sẵn trong nước thải, lượng BOD thường giảm từ 90-95%, đảm bảo đủ tiêu chuẩn thải ra môi trường tự nhiên. * Ý nghĩa thực tiễn Nước thải đô thị thường bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ phân hủy, do đó công nghệ xử lý nước thải bằng aeroten rất phù hợp, xử lý tốt nước thải. Hiện nay, ở nước ta nhiều nhà máy và các khu đô thị xử lý nước thải đang áp dụng công nghệ này. CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nước thải và phân loại nước thải [3, 11, 13, 23, 32] Nước thải là nước được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu. Nó chứa các loại chất bẩn như phân, rác hữu cơ, chất vô cơ và tồn tại ở những trạng thái khác nhau như hòa tan, keo, lơ lửng, rắn… Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. 1.1.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui chơi giải trí… Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có hàm lượng lớn các chất hữu cơ dễ phân hủy (hidratcacbon, protein, lipit), các chất vô cơ sinh dưỡng (photphat, nitơ), các vi khuẩn (có cả các vi khuẩn gây bệnh), trứng giun. sán… Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, chất lượng bữa ăn, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận nước thải. 1.1.2 Nước thải công nghiệp Nước thải công nghiệp hay còn gọi là nước thải sản xuất. Là nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải… Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà tùy thuộc vào các quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm. Nước thải công nghiệp thường chứa một lượng lớn các chất độc hại như kim loại nặng, các hợp chất độc, các hợp chất hữu cơ bền vững khó tan… và nếu các nhà máy xí nghiệp không xử lí nước thải trước khi xả vào môi trường thì sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước và ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch nguồn nước. 1.1.3 Nước mưa hay nước chảy tràn trên mặt đất Loại nước thải này ít bẩn nhất. Chủ yếu là nước mưa đợt đầu sau khi rơi xuống mặt đất, chứa nhiều tạp chất vô cơ, hữu cơ như cát, bụi, rác, phân súc vật trên đường phố cùng với vi sinh vật trong công trình cấp thoát nước theo nước chảy tràn. 1.1.4 Nước thải đô thị Nước thải đô thị là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên, thường có khoảng 50 – 60% nước thải sinh hoạt. 1.2 Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải [10, 13, 22, 23, 32 ] 1.2.1 Hàm lượng các chất rắn Tổng chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Chất rắn ở trong nước làm trở ngại cho việc sử dụng và lưu chuyển nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản. Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải, được xác định bằng trọng lượng khô phần còn lại sau khi cho bay hơi 1lít nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho đến khi trọng lượng không đổi, đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn lơ lửng ở dạng huyền phù (SS): được xác định bằng trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc, khi lọc 1lít mẫu nước rồi sấy khô ở 103 - 1050C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn hòa tan (DS): hàm lượng chất rắn hòa tan là hiệu số của tổng chất rắn với huyền phù: DS = TS - SS. Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. Chất rắn bay hơi (VS) - biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước: hàm lượng chất rắn bay hơi là trọng lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS ở 5500C trong khoảng thời gian xác định, thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn). Đơn vị tính là mg/l hoặc phần trăm của SS hay TS. 1.2.2 Hàm lượng oxi hòa tan - DO Oxi hòa tan trong nước rất cần cho sinh vật hiếu khí, nó duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Bình thường oxi hòa tan trong nước khoảng 8 - 10mg/l, độ hòa tan của oxi phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước…). Khi thải các chất thải vào nước, môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong các nguồn nước này, có thể đe dọa sự sống của các thủy sinh vật trong nước. Phân tích chỉ số DO là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp đề ra biện pháp xử lí thích hợp. 1.2.3 Chỉ số BOD - Nhu cầu oxi sinh hóa Nhu cầu oxi sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải của công nghiệp. Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí (chủ yếu là vi khuẩn). Quá trình này gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Quá trình được tóm tắt: Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định Vi khuẩn Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng giống vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, một số chất có độc tính trong nước… Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Trong kĩ thuật môi trường, chỉ tiêu BOD được dùng rộng rãi để: + Tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. + Xác định kích thước các công trình xử lí. + Xác định hiệu suất xử lí của một số quá trình + Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lí được phép thải vào các nguồn nước. 1.2.4 Chỉ số COD - Nhu cầu oxi hóa học Nhu cầu oxi hóa học được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. Nhu cầu oxi hóa học là tổng lượng oxi cần thiết để oxi hóa hoàn toàn các chất hữu cơ đến CO2 và H2O bằng phương pháp hóa học. Để xác định COD người ta thường sử dụng các chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit. Chất oxi hóa hay được dùng là kalibicromat (K2Cr2O7). Thể hiện qua phản ứng : Nhu cầu COD càng cao thì mức độ ô nhiễm của nước thải càng lớn. Đây là một chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải và người ta cũng thường sử dụng chỉ tiêu BOD, COD làm những chỉ tiêu cơ bản trong việc qui định tiêu chuẩn và phân loại nước thải. CO2 + H2O + Cr3+ Hợp chất hữu cơ + Cr2O7-2 + H+ Khi kết hợp chỉ số COD và chỉ số BOD5 người ta biết được phần chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học. i = BOD5/ COD 0<i<1 Giá trị i càng gần 0 thì phần chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học càng lớn. Ngược lại, giá trị i càng gần 1 thì phần chất hữu cơ bị phân hủy sinh học càng lớn. 1.2.5 Hàm lượng nitơ (N) Trong nước thải, các hợp chất chứa N thường là các hợp chất protein và các sản phẩm phân hủy: amon, nitrat, nitrit. Chúng có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước, đặc biệt là trong nước thải, mối quan hệ giữa BOD5 với N và P có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và khả năng oxi hóa của bùn hoạt tính. Vì vậy, trong xử lí nước thải người ta cần xác định chỉ số N tổng. Ngoài ra, người ta còn xác định các chỉ số N- NH3, NO3- và NO2- để đánh giá mức độ và giai đoạn phân hủy chất hữu cơ chứa Nitơ trong nước thải, đồng thời đề ra các biện pháp khử nitrat nếu quá lượng cho phép và tạo điều kiện cho vi khuẩn nitrat hóa hoạt động chuyển về dạng Nitơ phân tử. 1.2.6 Hàm lượng photpho (P) Phospho tồn tại trong nước ở các dạng H2PO-4, HPO4-2, PO4-3, các olyphosphate và phosphor hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thủy vực. Trong nước thải người ta thường xác định hàm lượng P - tổng số để xác định tỉ số BOD5: N: P nhằm chọn kĩ thuật bùn hoạt tính thích hợp cho quá trình xử lí. 1.2.7 Độ pH Độ pH là một trong những chỉ tiêu để xác định chất lượng đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy có cần thiết phải trung hòa hay không và cho phép tính lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ, khử khuẩn… Sự thay đổi giá trị pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc các phản ứng hóa sinh xảy ra trong nước. 1.2.8 Các chỉ tiêu vi sinh Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn ở trong phân người và phân súc vật. Trong đó có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về đường tiêu hóa như tả, lị thương hàn, các vi khuẩn gây ngô độc thực phẩm. Trong ruột người, động vật có vú khác không kể lứa tuổi có những nhóm vi sinh vật cư trú, chủ yếu là vi khuẩn. Các vi khuẩn này thường có ở trong phân. Vi khuẩn đường ruột gồm 3 nhóm: - Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli ( E.coli). - Nhóm Streptococcus đặc trưng là Streptococcus faecalis. - Nhóm Clostridium đặc trưng là Clostridium perfringens. Trong các nhóm vi sinh vật ở trong phân người ta thường chọn E.coli làm vi sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh với lí do: - E.coli đại diện nhóm vi khuẩn quan trọng nhất trong việc đánh giá mức độ vệ sinh và nó có đủ các tiêu chuẩn lí tưởng cho vi sinh vật chỉ thị. - Nó có thể được xác định theo các phương pháp phân tích vi sinh vật học thông thường ở các phòng thí nghiệm. Việc xác định coliform dễ dàng hơn các nhóm vi sinh vật khác vì việc xác định các nhóm vi sinh vật khác phức tạp hơn. 1.3 Nước thải đô thị Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50 - 60% là nước thải sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm (nước mưa hay hay nước vệ sinh đường phố) và 26 - 36% là nước thải sản xuất. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố. 1.3.1 Đặc điểm của nước thải đô thị [ 3, 5, 13, 25, 32] Nước thải đô thị là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, dạng keo và dạng hòa tan. Thành phần, tính chất nước thải đô thị phụ thuộc vào nhiều yếu tố (điều kiện tự nhiên, tập quán sinh hoạt, mức sống, các lĩnh vực sản xuất công nghiệp…) và được xác định bằng các chỉ tiêu hóa lí vi sinh nước thải. Các chất bẩn trong nước thải được chia thành các chất không hòa tan dạng lơ lửng, huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi; các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước hạt; các chất bẩn dạng tan. Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tùy thuộc lượng nước thải sinh hoạt được dùng và lượng nước thải công nghiệp lẫn vào. Nước thải thường chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ (Fe, Mg, Ca, Si…), nhiều chất hữu cơ sinh hoạt (phân, nước tiểu…), các chất thải khác (cát, sét, dầu mỡ…). Các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất chứa nitơ (urê, protein, axit amin) và các chất chứa cacbon (mỡ, xà phòng, hydrocacbon, xenlulozơ…). Nước thải sinh hoạt chứa lượng lớn vi sinh vật từ 105 - 106 tế bào/1ml. Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vật vào nước là phân, nước tiểu và đất cát. Các vi sinh vật hoạt động, tăng trưởng để phân hủy phần hữu cơ còn lại của nước thải. Vi sinh vật xử lí nước thải có thể phân thành 3 nhóm: vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh. Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn, do đó nguyên sinh động vật là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lí của các công trình xử lí sinh học nước thải. 1.3.2 Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam và Tp.HCM [1, 2, 18, 24] 1.3.2.1. Ở Việt Nam Hầu hết các đô thị lớn ở nước ta những năm gần đây có tốc độ phát triển các ngành công nghiệp, dịch vụ, gia tăng dân số rất mạnh mẽ. Do đó, nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng. Nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng lượng nước thải ở các thành phố. Tình trạng ô nhiễm nước rõ ràng nhất là ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP.HCM, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dương và một số thành phố lớn khác. Ở các thành phố này, hệ thống thoát nước dùng chung cho thoát nước mưa, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải y tế, rác thải… nhưng không có các hệ thống xử lý nước thải tập trung nên đa số lượng nước thải được xả thẳng ra kênh rạch, sông ngòi mà không qua xử lý. Thêm vào đó, hệ thống thoát nước được xây dựng qua các thời kì đã cũ kĩ, lại không được tu sửa đồng bộ mà chỉ mang tính chắp vá nên cứ vào mùa mưa là lượng nước bẩn lại tràn lên đường phố ảnh hưởng đến môi trường sống của người dân. Theo thống kê, chỉ khoảng 50% -60% dân số thành phố Hồ Chí Minh được sử dụng các hệ thống thoát nước, tỷ lệ này ở Hà Nội và Hải Phòng là 35% - 40% và còn thấp hơn nữa ở các thành phố khác. Nước thải của thành phố Hà Nội mới có khoảng 5% được xử lý. Trong số 82 khu công nghiệp mới trên toàn quốc, chỉ có khoảng 20 khu công nghiệp có trạm xử lý nước thải tập trung như các khu công nghiệp Bắc Thăng Long, Nội Bài ở Hà Nội; khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng; khu công nghiệp Việt Nam - Singapore ở Bình Dương… Theo khảo sát năm 2002, 90% doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn nước thải xả ra môi trường, 73% doanh nghiệp không có các hệ thống xử lý nước thải, 60% số công trình xử lý nước thải hoạt động vận hành nhưng không đạt tiêu chuẩn cho phép thải xả. Đa số các cơ sở sản xuất nhỏ tự phát và các làng nghề đều không có hệ thống xử lý nước thải mà thải xả trực tiếp ra mương, rạch, ao hồ, sông ngòi gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân. Thêm nữa, nước thải bệnh viện là loại nước thải đặc biệt, thường ô nhiễm nặng gấp tiêu chuẩn thải nhiều lần, nhất là các loại vi khuẩn gây bệnh. Trên cả nước cũng chỉ có 1/3 số bệnh viện có hệ thống xử lý nước thải nhưng chủ yếu tập trung ở trung ương, tỉnh còn các bệnh viện huyện hầu như không có hệ thống xử lý nước thải. Các dòng sông trên khắp cả nước, nhất là những nơi tập trung nhiều các khu công nghiệp, đang quằn quại do nước thải. Sông Thị Vải với nước thải của Vedan và các xí nghiệp bên dòng sông đang làm cho dòng sông “chết”, sông Cầu,sông Đáy, sông Nhuệ và nhiều dòng sông khác đang kêu cứu! Như vậy, vấn đề sử dụng nước, tiêu thoát nước và xử lý nước thải hiện nay đang trở nên hết sức cấp bách. 1.3.2.2. Ở Tp.HCM Khu vực Tp.HCM có tổng lượng nước thải lên đến khoảng 1,5 - 1,7 triệu m3/ngày. Mỗi ngày các hệ thống kênh rạch và sông Sài Gòn phải hứng chịu trên 1 triệu m3 nước thải sinh hoạt, trên 500.000m3 nước thải công nghiệp, trong tổng lượng nước thải đó hầu hết đều không qua xử lý hoặc có xử lý nhưng không đạt yêu cầu thải xả. Theo báo cáo của Sở Giao thông công chính Tp.HCM, hệ thống thoát nước là chung cho tất cả các loại nước mưa và nước thải, tổng chiều dài cống thoát nước cấp 2, 3 là 777km và xả ra hệ thống 27 kênh chính và 16 kênh nhánh bằng 412 cửa xả. Hệ thống kênh rạch trong khu vực nội thành Tp.HCM có tổng chiều dài khoảng 76 km với 5 lưu vực chính, gồm hệ thống các kênh: Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tàu Hủ - Kênh Đôi, Kênh Tẻ - Bến Nghé, Tham Lương - Bến Cát - Vàm Thuật. Với tốc độ phát triển đô thị rất nhanh chóng thì các hệ thống thoát nước này không đủ để phục vụ thoát nước cho Tp.HCM, do đó vào mùa mưa thường gây ra ngập úng trên diện rộng. Theo thống kê, có khoảng 60 - 70% chiều dài của các tuyến kênh rạch trong nội thành đang bị ô nhiễm nghiêm trọng, có nhiều kênh rạch đang dần biến thành “kênh chết” như kênh Rạch Dừa ( Q. Gò Vấp), kênh Nước Đen ( Q.Bình Tân) … Tp.HCM là nơi tập trung rất nhiều ngành công nghiệp sản xuất với qui mô lớn, bên cạnh đó là một bộ phận không nhỏ các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, lượng nước thải do các cơ sở này thải ra hệ thống kênh rạch mà đã qua xử lý chỉ chiếm 20%. Một số lượng lớn nước thải từ các hệ thống kênh rạch này sẽ đổ vào sông Sài Gòn ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp cho thành phố. Nhóm nghiên cứu thuộc khoa môi trường, trường Đại học Bách khoa TP.HCM và khoa kỹ thuật đô thị, trường Đại học Kỹ thuật Tokyo (Nhật Bản) mới đây có khảo sát đánh giá về tình hình ô nhiễm do Mn, sắt và Coliforms trên sông Sài Gòn, với kết luận nồng độ Mn tổng và sắt tổng vượt quá tiêu chuẩn dành cho nước mặt loại A, pH đạt tiêu chuẩn nước loại B (5,5 - 9), chỉ tiêu vi sinh cao vượt tiêu chuẩn chất lượng nước mặt sử dụng làm nước cấp. Với tình hình như hiện nay, nếu không có những biện pháp mạnh mẽ thì chất lượng nước sông Sài Gòn sẽ ngày càng ô nhiễm nặng. 1.3.3 Số liệu phân tích thành phần nước thải đô thị [3, 4] Bảng 1.1. Đặc tính của nước thải sinh hoạt Nồng độ (mg/l) Chỉ tiêu Cao Trung bình Thấp BOD5 400 220 110 COD 1000 500 250 Đạm hữu cơ 35 15 8 Đạm amôn 50 25 12 Đạm tổng số 85 40 20 Lân 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. Bảng 1.2. Nồng độ chất bẩn trong nước thải đô thị một số nước khí hậu nhiệt đới Chỉ tiêu Kodungalgur Ân Độ(1) Lima Pêru (2) Herzliga Israel (3) Khu Kim Liên Hà Nội (4) COD, mg/l 282 175 285 315 BOD5, mg/l 402 196 427 250 Chất lơ lửng, mg/l 1060 1187 1094 270 TDS, mg/l 205 163 750 Clorua, mg/l 30 76 100 Nitơ amoni, mg/l - - 32 PO43- , mg/l - - 12.5 Coliform, MPN/100ml - - 13.10 6 Nguồn: (1) A.Raman and others–Lowcost Waste Treatment, CPHERI, Nagpur, 1972 (2) F.valdez-Zamudio, Science of the total Environment 2,406 (1974) (3) A.Meron and others- Journal of the Water Polltion Control Federation 37,1657 (1965) (4) Báo cáo đề tài NCKH B94-34-06 ‘Mô hình các trạm XLNT công suất nhỏ trong điều kiện ViệtNam, “Hà Nội tháng 12, 1995 [9] Bảng1.3. Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư Chỉ tiêu Trong khoảng Khu Kim Liên Hà Nội (4) Tổng chất rắn (TS), mg/l 350 - 1..200 720 - Chất rắn hòa tan (TDS), mg/l 250 – 850 500 - Chất lơ lửng (SS), mg/l 100 – 350 220 BOD5,, mg/l 110 – 400 220 Tổng nitơ, mg/l 20 – 85 40 - Nitơ hữu cơ, mg/l 8 – 35 15 - Nitơ Amoni, mg/l 12 – 50 25 Nitơ Nitrit, mg/l 0 – 0,1 0,05 - Nitơ Nitrat, mg/l 0,1 – 0,4 0,2 Clorua, mg/l 30 – 100 50 Độ kiềm, mgCaCO3/l 50 – 200 100 Tổng chất béo, mg/l 50 -150 100 {Nguồn: Metcalf&Eddy. Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse, Fourth Edition, 2004} 1.4 Các phương pháp xử lí nước thải [5, 10, 13, 23] 1.4.1 Phương pháp cơ học Phương pháp xử lý cơ học được dùng để tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Phương pháp này có thể loại bỏ khỏi nước thải được 60% các tạp chất không hòa tan và 20% BOD. Phương pháp xử lý cơ học thường là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi qua xử lý sinh học. Trong một số trường hợp thì sau khi xử lí cơ học nước thải được khử trùng và xả vào nguồn. Những công trình xử lý cơ học bao gồm: - Song chắn rác dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi như giẻ, giấy, rau, cỏ, rác, mẫu đất đá, gỗ… ở trước song chắn. Sau chắn rác, để loại bỏ các tạp chất rắn có kích cỡ nhỏ hơn, mịn hơn ta có thể đặt thêm lưới lọc. - Bể lắng cát dùng để loại các tạp chất vô cơ không tan có kích thước từ 0,2 - 2mm ra khỏi nước thải. Điều đó đảm bảo cho các quá trình làm trong, không ảnh hưởng xấu đến các thiết bị xử lí, tránh tắc các đường ống dẫn, xử lí sinh hóa nước thải, xử lí cặn bã. - Bể lắng tách các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải. Chất lơ lửng nặng sẽ từ từ lắng xuống đáy, các chất nhẹ hơn sẽ nổi lên bề mặt, nhờ các thiết bị thu gom và vận chuyển lên công trình xử lí cặn. - Bể tách dầu mỡ dùng để loại các tạp chất nổi có khối lượng riêng nhỏ hơn nước (dầu, mỡ) khỏi nước thải, nhất là nước thải công nghiệp. Điều này giúp cho các quá trình xử lí sinh học không bị ảnh hưởng. - Bể lọc dùng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ ra khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại được chúng. Người ta tiến hành bằng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, chủ yếu dùng cho nước thải công nghiệp. 1.4.2 Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học thường được áp dụng để xử lí nước thải công nghiệp. Người ta đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để khử các chất hòa tan, biến đổi hóa học, gây tác động với các tạp chất bẩn. Phương pháp này dùng để xử lí sơ bộ trước xử lí sinh học hoặc xử lí nước thải lần cuối trước khi thải ra môi trường. - Phương pháp trung hòa dùng để đưa nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm về trạng thái trung tính có pH từ 6,5 - 7,5. Phương pháp này có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau: bổ sung thêm các tác nhân hóa học, lọc qua vật liệu có tác dụng trung hòa, sử dụng khí axit trung hòa nước thải kiềm, trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm, trung hòa nước thải axit bằng nước vôi là biện pháp rẻ và dễ nhất. - Phương pháp keo tụ dùng để làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các chất keo tụ (muối sắt, muối nhôm, vôi, phèn…) và chất trợ keo tụ để liên kết các chất rắn dạng lơ lửng và keo trong nước thải thành những bông có kích thước lớn hơn. - Phương pháp ôzôn hóa dùng để khử các tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, các vị lạ và mùi của nước thải bằng cách oxi hóa cả các chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước thải. - Phương pháp điện hóa học dùng để phá hủy các tạp chất độc hại trong nước thải bằng cách oxi hóa điện hóa trên cực anốt hoặc dùng để phục hồi các chất quí (đồng, chì, sắt…). 1.4.3 Phương pháp hóa lý - Phương pháp hấp phụ dùng để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ và khí hòa tan ( những chất này không phân hủy bằng con đường sinh học và có độc tính cao) sau khi xử lí sinh học bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn, hoặc tương tác giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn. - Phương pháp trích ly dùng để tách các chất bẩn hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách bổ sung một chất dung môi không hòa tan vào nước. - Phương pháp chưng bay hơi dùng để chưng nước thải, để các chất bẩn hòa tan bay hơi lên theo nước, khi ngưng tụ, hơi nước và chất bẩn dễ bay hơi sẽ hình thành các lớp riêng biệt và dễ dàng tách chất bẩn ra. - Phương pháp tuyển nổi dùng để loại bỏ các tạp chất ra khỏi nước bằng cách làm cho chúng bám theo các bọt khí nổi lên bề mặt nước. - Phương pháp trao đổi ion dùng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các ion kim loại (Zn, Cr, Ni, Hg, Pb, Cd…), các hợp chất của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ bằng cách dùng các chất trao đổi ion. - Phương pháp tách bằng màng dùng để tách các chất tan khỏi các hạt keo bằng cách dùng các màng xốp bán thấm không cho các hạt keo đi qua. 1.4.4 Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ dạng keo và hòa tan trong nước thải. Phương pháp sinh học thường được dùng sau giai đoạn xử lí cơ học. Quá trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo không loại trừ triệt để các loại vi khuẩn, nhất là vi sinh vật gây bệnh và truyền bệnh. Do đó, trước khi xả ra môi trường, nước thải cần được khử trùng. - Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện tự nhiên: cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học..., quá trình xử lí diễn ra chậm. - Những công trình xử lí sinh học trong điều kiện nhân tạo: bể lọc sinh học, bể aeroten…, quá trình xử lí diễn ra nhanh và cường độ mạnh hơn. 1.5 Các biện pháp sinh học xử lý nước thải 1.5.1 Điều kiện để xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học[(13, 16] Nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Do đó: - Nước thải chứa thành phần các chất hữu cơ hòa tan, dễ bị oxi hóa hoặc các hạt keo phân tán nhỏ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật. - Nồng độ các chất độc hại, các kim loại nặng phải nằm trong giới hạn cho phép với vi sinh vật. Khi xử lý nước thải phải điều chỉnh nồng độ các chất này sao cho phù hợp để vi sinh vật có thể phát triển. - Nước thải đưa vào xử lí sinh học có hai thông số đặc trưng là BOD và COD. Tỉ số của hai thông số này là: COD/BOD ≤ 2, BOD/COD ≥ 0,5 thì đưa vào xử lí sinh học hiếu khí. Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần thì phải qua xử lí sinh học kị khí, trong quá trình xử lý một phần lớn chất hữu cơ khó phân hủy có thể chuyển thành dễ phân hủy (tức là từ COD  BOD). Ngoài ra, các điều kiện môi trường như lượng oxi, pH, nhiệt độ của nước thải nằm trong giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường của các vi sinh vật tham gia trong xử lý nước thải. 1.5.2 Thành phần sinh học của nước thải [5, 13, 22, 27, 32] 1.5.2.1 Vi sinh vật - Vi sinh vật gồm có vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, virut. Chúng nhiễm vào nước từ các nguồn thải sinh hoạt, nguồn thải bệnh viện, bụi trong không khí rơi vào, đặc biệt là các nguồn phân người, động vật. Trong đó vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. - Vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sử dụng các chất ô nhiễm làm nguồn dinh dưỡng. Vi khuẩn trong nước thải chủ yếu là các loài dị dưỡng hoại sinh. Các loài này có khả năng phân hủy các chất hữu cơ, oxi hóa các chất này thành các chất đơn giản, sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính: + Vi khuẩn dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển… . Vi khuẩn hiếu khí . Vi khuẩn kị khí . Vi khuẩn tùy nghi + Vi khuẩn tự dưỡng Nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn có trong nước thải nhưng ít hơn vi khuẩn rất nhiều. Vai trò của nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn trong quá trình xử lí nước thải không quan trọng bằng vi khuẩn và thường không được quan tâm. 1.5.2.2 Động vật nguyên sinh - Bên cạnh vi khuẩn, động vật nguyên sinh cũng là nhóm động vật quan trọng sống trôi nổi trong nước. Chúng là sinh vật chỉ thị quí giá cho nước vì có mặt chúng trong nước nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước, chất lượng quá trình oxi hóa và không có mặt các chất độc hại… Trùng bánh xe chỉ thị cho hệ thống sinh học đặc biệt ổn định. - Động vật nguyên sinh ăn tảo, vi khuẩn, với đặc tính này người ta lợi dụng chúng để khử các vi khuẩn gây bệnh có hại trong nước thải. Người ta còn thấy một số loài động vật nguyên sinh có mặt trong bùn hoạt tính, và được sử dụng như chỉ số quan trọng để đánh giá kết quả xử lí nước thải. 1.5.2.3 Tảo Tảo là sinh vật tự dưỡng quang hợp, chúng trôi nổi trong nước hay móc vào các giá đỡ (các loài thực vật khác). Nước giàu nguồn N và P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, nếu không có biện pháp tách tảo hoặc loại tảo ra khỏi nước, khi chết tảo sẽ tự phân làm cho nước bị ô nhiễm thứ cấp. 1.5.3 Vai trò vi sinh vật trong xử lí nước thải Vi sinh vật trong nước thải hầu hết là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng phân hủy các chất hữu cơ, các hợp chất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nuớc cùng NH3 trong điều kiện hiếu khí hoặc tạo thành các loại khí khác ( CH4, NH3, H2S, indol, mercaptan, scatol, N2…) trong điều kiện kị khí, ngoài ra còn thấy có các loại khí NO2, NO3-, N2O, N2... Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn sau: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. - Chuyển hóa các chất này vào trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào. Trong nước thải các chất hữu cơ bị phân hủy do hoạt động sống của vi sinh vật. Các phản ứng chuyển hóa các chất hữu cơ là các phản ứng thủy phân hay các phản ứng oxi hóa khử trong quá trình hô hấp của vi sinh vật. Có hai loại phản ứng hay hai quá trình phân hủy: phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các vi sinh vật hiếu khí và phân hủy kị khí do các vi sinh vật kị khí không cần có oxi. Cơ chất của các phản ứng hóa sinh ở đây là các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, được thể hiện bằng BOD. Có thể xem BOD là nguồn cơ chất cacbon của vi sinh vật trong nước thải, nó đóng vai trò chủ yếu là nguồn dinh dưỡng cacbon, ngoài ra còn là nguồn nitơ và photpho hữu cơ dinh dưỡng. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là vi khuẩn hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tùy tiện. Có các giống vi khuẩn sau: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium và hai giống nhiễm từ phân Enterobacterium, Streptococcus. 1.5.3.1 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 để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào nước. Các vi sinh vật muốn phân hủy được các chất hữu cơ phải có khả năng sinh tổng hợp các enzim tương ứng. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ xảy ra bên ngoài tế bào nhờ các enzim thủy phân, gọi là quá trình phân hủy ngoại bào. Các chất này được tiếp tục phân hủy hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới xảy ra bên trong tế bào, gọi là quá trình nội bào. Oxi cung cấp cho quá trình phân hủy chất hữu cơ có thể chia thành hai pha: pha cacbon - phân hủy các hợp chất hidrocacbon, giải phóng năng lượng, CO2, nước cùng một số vật liệu tế bào; pha nitơ - phân hủy các hợp chất hữu cơ có chứa N trong phân tử và giải phóng ra NH3 hay NH4+ (là nguồn nitơ dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào), trong pha này các quá trình phân hủy protein xảy ra lần lượt từ protein  polypeptit  oligopeptit  axit amin  NH3. Lượng NH3 được tạo ra không được dùng hết cho xây dựng tế bào sẽ được các loại vi khuẩn tham gia chuyển hóa trong điều kiện hiếu khí và vi hiếu khí. + Ở điều kiện hiếu khí: Vi khuẩn Nitrosomonas chuyển NH3 thành NO2- và từ NO2- chuyển thành NO3- nhờ vi khuẩn Nitrobacter. + Ở điều kiện thiếu khí: Các vi khuẩn tự dưỡng sẽ khử NO3- theo hai bước:  Chuyển hóa NO3- thành NO2-.  Từ NO2-  NO  N2O  N2. Tham gia vào các quá trình này là các vi khuẩn phản nitrat hóa hoạt động trong điều kiện thiếu khí (gần như kị khí), đó là các vi khuẩn: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirilum... 1.5.3.2 Quá trình phân hủy kị khí Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí sinh ra sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí, trong đó CH4 chiếm tới 60 – 75%. Vì vậy quá trình này còn được gọi là lên men metan. Lên men metan gồm hai pha điển hình: pha axit ứng với giai đoạn thủy phân; pha kiềm ứng với giai đoạn tạo khí. + Pha axit: hidratcacbon dưới tác dụng của các enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra sẽ bị phân hủy và tạo thành các axit hữu cơ có phân tử lượng thấp. Một phần axit béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy thành các hợp chất amon, amin, muối của axit cacbonic, hỗn hợp khí CO2, N2, CH4, H2 … nên pH của môi trường tăng lên và từ axit chuyển sang trung tính và kiềm. Mùi rất khó chịu do trong hỗn hợp khí thối có chứa H2S, indol, scatol và mercaptan. + Pha kiềm - pha tạo khí CH4 : các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho lên men metan và được tạo thành CO2, CH4, pH chuyển hoàn toàn sang kiềm, các khí thối sinh ra nhiều hơn. Tham gia vào quá trình lên men metan có tới hàng trăm loài vi khuẩn kị khí bắt buộc và không bắt buộc. Thời gian lên men khá dài, với các điều kiện tối ưu và ở nhiệt độ 45 - 550C thời gian lên men khoảng 10 - 15 ngày, nếu nhiệt độ thấp hơn thì thời gian lên men lên tới hàng tháng hoặc vài tháng. Các vi khuẩn tham gia quá trình này được chia làm hai nhóm : nhóm vi khuẩn không sinh metan và nhóm vi khuẩn sinh metan. + Nhóm vi khuẩn không sinh metan gồm cả vi khuẩn kị khí và kị khí tùy tiện. Khi có mặt xenlulozơ, có các loài sau : Bacillus cereus, B.megaterium, Pseudomonas riboflavina, Ps. reptilorova, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris. Khi có mặt tinh bột, có các loài : Micrococcus candidus, M.varians, M.urea, Bacillus cereus, B.megaterium và Pseudomonas spp. Khi môi trường giàu protein, có các loài: Clostridium, Bacillus cereus, B.circulans, B. sphaericus, B.subtilis, Micrococcus varians, E.coli, các dạng coliforme và Pseudomonas spp. Môi trường giàu chất béo thực vật có các giống: Bacillus, Micrococcus, Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas. + Vi khuẩn sinh metan : những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, sinh trưởng và phát triển rất chậm, gồm : Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina. 1.5.4 Các công trình xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học Xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các vi sinh vật hoạt động sẽ phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn thành các chất vô cơ, chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo với mức độ và thời gian phân hủy khác nhau. Vi sinh vật trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển tăng số lượng tế bào và đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Có ba phương pháp sinh học xử lí nước thải: + Phương pháp hiếu khí. + Phương pháp kị khí. + Phương pháp thiếu khí. Trên cơ sở các biện pháp sinh học xử lí nước thải có thể ứng dụng vào các công trình xử lí nước thải: xử lí bằng hồ sinh học, xử lí bằng bùn hoạt tính, xử lí bằng màng sinh học, xử lí bằng quá trình hợp khối các biện pháp sinh học. 1.5.4.1 Xử lí bằng hồ sinh học [5, 10, 13, 17 ] Trong số những công trình xử lí trong điều kiện tự nhiên thì hồ sinh học được sử dụng rộng rãi hơn cả. Hồ sinh học còn được gọi là hồ oxi hóa hoặc hồ ổn định Xử lí nước thải ở hồ sinh học là lợi dụng quá trình tự làm sạch của hồ tiếp nhận nước thải. Lượng oxi cho quá trình sinh hóa chủ yếu là do không khí xâm nhập qua mặt thoáng hồ và do quá trình quang hợp của thực vật nước. Quá trình tự làm sạch của nước liên quan đến hoạt động sống của giới thủy sinh. Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước. Theo chiều sâu của ao hồ sẽ chia ra thành 3 vùng: vùng kị khí ở đáy, vùng kị khí tùy nghi ở giữa và vùng hiếu khí. Các vùng có các khu hệ vi sinh vật tương ứng (chủ yếu là vi khuẩn). Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo. Tảo và các thực vật thủy sinh (rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo…) là giá thể để vi sinh vật bám vào, cung cấp oxi cho vi khuẩn hiếu khí và những hoạt chất sinh học cần thiết; ngược lại vi khuẩn cung cấp cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình (CO2, NH4+, photphat) và che chở vi khuẩn khỏi bị chết dưới ánh nắng mặt trời. Để hồ sinh học làm việc bình thường cần duy trì pH và nhiệt độ tối ưu. Hồ sinh học được phân thành các loại sau: + Hồ oxi hóa cấp ba - hồ làm sạch lần cuối. + Hồ được sục khí. + Hồ oxi hóa hiếu - kị khí hay hồ oxi hóa tùy tiện. 1.5.4.2 Xử lí bằng bùn hoạt tính [3, 5, 7, 10, 11, 13, 14, 23, 29, 30, 31 ] Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 150m. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và cặn rắn. Những vi sinh vật sống ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi , giun… Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 - 1012 /1mg chất khô, phần lớn là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…, ngoài ra còn có các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 thành N2: Nitrosomonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus, Sphacrotilus và Cladothirix. Trong bùn hoạt tính còn thấy các loài thuộc động vật nguyên sinh. Chúng đóng vai trò khá quan trọng trong bùn, tham gia phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi cho quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh. Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lí nước thải dựa trên kĩ thuật bùn hoạt tính là các bể phản ứng sinh học được làm hiếu khí bằng cách thổi khí nén hoặc khuấy đảo cơ học hoặc kết hợp cả hai làm cho vi sinh vật tạo thành các hạt bùn hoạt tính lơ lửng trong khắp pha lỏng. Các công trình bao gồm: bể phản ứng hiếu khí - bể aeroten, mương oxi hóa, bể oxiten, giếng trục sâu. Các công trình xử lí kị khí với giải pháp vi khuẩn ở trạng thái lơ lửng qua lớp cặn lơ lửng trong bể UASB, hỗn hợp bùn kị khí trong bể hấp thụ chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, phân hủy và chuyển hóa chúng thành khí (70 - 80% CH4 và 20 - 30% CO2) và nước. Các hạt bùn cặn bám vào các bọt khí được sinh ra nổi lên trên các bề mặt làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng, khi hạt cặn nổi lên va phải tấm chắn bị vỡ ra, khí thoát lên trên, cặn rơi xuống dưới. 1.5.4.3 Xử lí bằng màng sinh học [7, 13, 17] Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, nấm và động vật nguyên sinh) có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Phần lớn các vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ, muối khoáng và oxi có khả năng xâm chiếm bề mặt của một vật rắn (vật liệu lọc: cát, sỏi, đá, than gỗ...). Các chất hữu cơ trong nước thải được các vi khuẩn sử dụng để thực hiện phân hủy tạo CO2 và H2O. Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn các vi khuẩn tùy tiện và kị khí. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính. Mặc dù màng sinh học rất mỏng nhưng cũng được chia thành các lớp với các đặc trưng vi sinh vật riêng: + Ngoài cùng là lớp hiếu khí dầy nhất, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus. + Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện mỏng hơn, điển hình như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, Bacillus. + Lớp sâu bên trong màng là lớp kị khí mỏng nhất, có các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio, ngoài ra còn có động vật nguyên sinh và các sinh vật khác. Các chất hữu cơ có trong nước thải khi chảy qua hoặc tiếp xúc với màng sinh học sẽ được oxi hóa bởi các quần thể vi sinh vật. Các chất hữu cơ dễ phân hủy sẽ được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, và số lượng quần thể tương ứng cũng phát triển nhanh. Các chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được sử dụng sau với vận tốc chậm hơn và quần thể vi sinh vật tương ứng cũng phát triển muộn hơn. Trong quá trình phân giải các chất hữu cơ, màng sinh học sẽ tăng dần lên, dày hơn và dần dần bịt các khe giữa các hạt cát nên làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần, lúc này phin lọc làm việc có hiệu quả cao hơn. Vì màng dày hơn nên các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất, ít nhận được oxi nên chuyển sang phân hủy kị khí tạo các axit hữu cơ, các alcol.... Các chất này sẽ được các vi sinh vật khác sử dụng trước khi khuếch tán ra ngoài. Nước dần được làm sạch. Các công trình hiếu khí nhân tạo dựa trên kĩ thuật màng sinh học: lọc sinh học, đĩa quay sinh học. Các công trình kị khí dựa trên kĩ thuật màng sinh học: 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). 1.5.4.4 Xử lí bằng quá trình hợp khối [31] 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. Quá trình hợp khối thường được ứng dụng để khử các chất dinh dưỡng (muối nitơ và photpho). Người ta tạo ra một vùng thiếu khí trong công trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính. Trong quá trình xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính hiếu khí, nitơ amoni sẽ được chuyển thành nitrat nhờ các loại vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter, khi môi trường thiếu oxi, các loại vi khuẩn khử nitrat sẽ tách oxi của nitrat và nitrit để oxi hóa các chất hữu cơ và tạo ra phân tử nitơ thoát ra khỏi nước. Đối với các muối dinh dưỡng photpho (polyphotphat hoặc orthophotphat), người ta ứng dụng quá trình photphoril hóa của vi khuẩn kị khí tùy tiện Acinetobacter sp để khử photpho. Dựa trên các nguyên lý này, người ta đã thiết lập một qui trình xử lí nước thải theo phương pháp bùn hoạt tính để khử BOD, N, P trong hệ thống Bardenpho (gồm hệ thống các bể kị khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí...). Xử lí nước thải bằng hệ thống này sẽ tách được một lượng lớn photpho ra khỏi nước thải dưới dạng polyphotphat trong bùn dư, và khử được nitrat trong các bể thiếu khí. 1.6 Aeroten và kĩ thuật bùn hoạt tính [13, 23, 14, 22, 29] 1.6.1. Đặc điểm và nguyên lí làm việc của aeroten Aeroten là công trình xử lí hiếu khí nước thải bằng bùn hoạt tính. Nước thải chảy qua suốt chiều dài của bể aeroten và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxi hòa tan và tăng cường quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Nguyên lí của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí dưới dạng bùn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện có oxi hòa tan liên tục. Quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aeroten qua ba giai đoạn: - Giai đoạn 1 : Cấu trúc aeroten phải thỏa mãn ba điều kiện: + Giữ được liều lượng bùn cao trong aeroten. + Cho phép vi sinh vật phát triển liên tục ở giai đoạn “ trẻ “. + Bảo đảm lượng oxi cần thiết của vi sinh ở mọi điểm trong aeroten. - Giai đoạn 2: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi gần như ít thay đổi. ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo. Điểm cực đại của enzym oxi hóa của bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính đạt mức ổn định. - Giai đoạn 3: sau một thời gian tốc độ oxi hóa hầu như ít thay đổi và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hóa. Sau cùng, nhu cầu oxi lại giảm, quá trình làm việc của aeroten kết thúc. 1.6.2. Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 - 150 àm. Bông bùn hoạt tính chứa những vi sinh vật sống cũng như các hạt hữu cơ và vô cơ. Những vi sinh vật này chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi, giun... Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 -1012/1mg chất khô. Hơn 300 chủng vi khuẩn phát triển trong bùn hoạt tính. Chúng chịu trách nhiệm oxi hóa chất hữu cơ và chuyển hóa chất dinh dưỡng, chúng tạo thành polysacarit và những chất polymer khác giúp cho việc tạo bông của sinh khối vi sinh vật. Những chi thường gặp trong bông bùn là Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Achomobacter, Micrococcus, Corynebacterium, Brecibacterium, Flavobacterium, Zooglea ... Đặc biệt Zooglea là các vi khuẩn sinh màng nhầy có khả năng dính bám cao. Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 và NO3- cũng thấy có mặt trong bùn, như Nitrosomonas, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus. Ngoài ra còn thấy Sphacrotilus và Cladothirix. Bảng 1.4. Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn có trong bùn hoạt tính Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitrobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus denitrificans Thiobacilus denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio Phân hủy hidratcacbon, protein, các chất hữu cơ khác và phản nitrat hóa Phân hủy hidrocacbon Phân hủy hidrocacbon, protein... Phân hủy các polyme Tạo thành chất nhầy (polysacarit), hình thành chất keo tụ Tích lũy polyphosphat, phản nitrat Nitrit hóa Nitrat hóa Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ Phân hủy protein, phản nitrat hóa Phân hủy protein Phản nitrat hóa (khử nitrat thành N2) Khử sulfat, khử nitrat Các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi...trong nước thải. Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăng dần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy. Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được làm sạch. Tùy thuộc vào điều kiện bên trong cũng như bên ngoài của nước thải, các nhóm vi sinh vật tồn tại trong bùn sẽ khác nhau. Chúng có khả năng thích ứng với điều kiện sống mới. Thành phần nước thải thay đổi sẽ làm thay đổi chủng loại, thành phần, tăng giảm số lượng từng loài trong quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính. 1.7 Các công trình xử lí nước thải bằng aeroten trên thế giới và Việt Nam [18, 34] 1.7.1. Trên thế giới Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới trước nguy cơ ô nhiễm thứ cấp do các biện pháp xử lý khác. Các nhà nghiên cứu ngày càng tìm ra nhiều biện pháp xử lý khác nhau, có thể bằng thực vật thủy sinh, bằng vi sinh vật, bằng sự kết hợp của hệ sinh thái trong nước thải. Ngày nay công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học được áp dụng nhiều trong thực tế ở các nhà máy hay các trạm xử lý nước là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí. Ở các quốc gia như Mỹ, Nhật Bản, các nước châu Âu thì biện pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính đã được ứng dụng rộng rãi. Hiện nay nhiều nhà máy xử lý nước thải ở nước ta đang sử dụng công nghệ này của các quốc gia như Thụy Điển, Nhật Bản… Đối với một số quốc gia, nước là một nguồn tài nguyên cực kì quí hiếm, do đó họ tận dụng nó hết sức triệt để kể cả nước thải đã qua sử dụng. Chẳng hạn như Ixaren, luật pháp Ixrael qui định nước thải cũng là tài sản quốc qia, mọi đối tượng phải hoàn trả lại sau khi sử dụng nước để làm sạch và sử dụng lại tại các trạm xử lý nước thải tập trung. Do đó, tỉ lệ nước thải được xử lý ở quốc gia này là 100%. Hiện nay ở Ixrael có gần 600 trạm xử lý nước thải tập trung. Điển hình như trạm xử lý nước thải Dan Region có công suất 500.000m3/ngđ vận hành tự động, diện tích phục vụ 220km2 tương đương với 1,7 tiệu người. Công nghệ sử dụng là bùn hoạt tính, kết hợp hai quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, nước sau xử lý được lọc qua một số qui trình khác để có thể phục vụ cho tưới tiêu nông nghiệp hoặc các mục đích sử dụng khác. Trong xử lý nước thải bằng công nghệ bùn hoạt tính, các quốc gia không ngừng nâng cao công nghệ nhằm tìm ra biện pháp xử lý hiệu quả mà lại ít tốn chi phí nhất. Giáo sư Yasuzo Sakai thuộc Khoa hóa học ứng dụng tại Đại học Utsunomiya (Nhật Bản) và các cộng sự đã bổ sung một lượng nhỏ bột manhetit (Fe3O4) vào bùn hoạt tính tạo thành bùn hoạt tính nhiễm từ làm giảm chi phí đáng kể khi xử lý nước thải, GS đã xây dựng một nhà máy pilot theo công nghệ mới này với dung tích 16m3 và từ năm 2003 đến hè năm 2005 nhà máy đã hoạt động đúng như tính toán lý thuyết ( theo Chemical & Engineering News, 12/2005). Hiện nay có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học khác nhau, thế nhưng các quốc gia vẫn rất chú trọng đến công nghệ bùn hoạt tính vì những lợi ích mà nó đem lại. 1.7.2. Ở Việt Nam Nền kinh tế Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển với sự xuất hiện của nhiều ngành công nghiệp khác nhau, cùng với đó là nhu cầu sử dụng nước tăng dần, nếu không tận dụng được nguồn nước, xử lý nước thì nguy cơ thiếu nước là rất cao. Các đô thị lớn của Việt Nam hiện nay đang phải đối mặt với một thách thức lớn, đó là vấn nạn ô nhiễm nguồn nước mặt. Nhiều biện pháp xử lý được đưa ra nhằm tìm giải pháp hữu hiệu bảo vệ nguồn nước và hiện nay người ta ưu tiên cho xử lý nước bằng biện pháp sinh học vì mang tính an toàn cao, không ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Hiện nay, ý thức bảo vệ môi trường nói chung, nguồn nước nói riêng đã được nâng lên một cách đáng kể. Các khu đô thị lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội đang triển khai nhiều dự án cải tạo môi trường nước với sự trợ giúp của Ngân hàng thế giới, Ngân hàng phát triển Châu Á và một số những nhà tài trợ khác. Cụ thể ở TP.HCM có các dự án như: Dự án nghiên cứu hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đô thị (Dự án Jica - Nhật), Dự án nâng cấp đô thị và làm sạch kênh Tân Hóa - Lò Gốm (Dự án 415 - Bỉ), Dự án cải tạo kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè (Dự án CDM - Mỹ). Dự án Jica đã nghiên cứu và lựa chọn công nghệ bùn hoạt tính truyền thống cho nhà máy xử lý trên cơ sở 5 công nghệ xử lý: hồ ổn định, hồ làm thoáng (hồ sục khí), mương oxi hóa, bùn hoạt tính truyền thống, máy khuấy sinh học. Các cụm khu công nghiệp hoặc các nhà máy lớn cũng đã có mức quan tâm đến chất lượng nước một cách đúng đắn bằng cách đầu tư vào hệ thống xử lý nước thải. Điển hình như năm 2004, công ty Vissan đã đưa vào hoạt động hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ vi sinh, sau khi xử lý nước đạt tiêu chuẩn loại A trước khi được thải ra sông Sài Gòn. Nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN Biên Hòa II với tổng công suất thiết kế 8000m3/ngày tiếp nhận toàn bộ nước thải của KCN Biên Hòa I và Biên Hòa II, sử dụng công nghệ UNITANK của công ty Seghers Better Technology For Water (Vương Quốc Bỉ) - đây là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí kiểu bể luân phiên theo mẻ liên tục. Vừa qua KCN Tiên Sơn - Bắc Ninh vừa đưa vào hoạt động trạm xử lý nước thải công suất 2000m3/ngày, tiếp nhận và xử lý toàn bộ nước thải sinh hoạt và công nghiệp của KCN đảm bảo đủ tiêu chuẩn trước khi thải ra hệ thống thoát chung của khu vực. Trạm xử lý này được sử dụng công nghệ “xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính”, kết quả là nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường TCVN 5945 - 2005 loại A. Ở các đô thị lớn như Tp.HCM, Hà Nội, Đà Nẵng … cũng đều có các nhà máy xử lý nước thải tập trung mặc dù số lượng các trạm xử lý này vẫn chưa đáp ứng xử lý toàn bộ nước thải, nhưng đó cũng là một tín hiệu tốt thể hiện sự quan tâm của xã hội đối với môi trường. Ở Tp.HCM nhiều nhà máy xử lý nước đã đang và sẽ đi vào hoạt động, như nhà máy xử lý nước thải tại xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh theo công nghệ bùn hoạt tính được xây dựng với nguồn vốn ODA, công suất dự kiến 141.000m3/ngđ, dự tính sẽ khánh thành vào tháng 12/2008. CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIấN CỨU 2.1. Địa điểm nghiên cứu 2.1.1. Địa điểm lấy mẫu nước thải Cống xả Nguyễn Biểu, quận 5, Tp.HCM từ cụm dân cư thải xả ra kênh Tàu Hũ. 2.1.2. Nơi tiến hành thí nghiệm - Phòng thí nghiệm vi sinh, sinh hóa trường ĐHSP Tp.HCM. - Khu vực đặt mô hình aeroten trong vườn trường. 2.2. Các dụng cụ, thiết bị và hóa chất dùng trong nghiên cứu 2.2.1. Dụng cụ, thiết bị * Thiết bị - Kính hiển vi quang học - Máy đo pH - Cân phân tích - Bình tối để xác định BOD (Mỹ, Thụy Điển) - Tủ ấm - Tủ cấy vô trùng - Tủ sấy vô trùng - Nồi hấp vô trùng… * Dụng cụ - Pipet, pipetman - Đĩa Petri, ống nghiệm - Bình cầu 500 ml - Ống sinh hàn - Bình tam giác, các loại que cấy ... 2.2.2. Hóa chất K2HPO4 : Việt Nam Glucose: KH2PO4 : Việt Nam KOH: Việt Nam K2Cr2O7: Đức NaOH: Việt Nam Fe(NH4)SO4.6H2O: Muối Morh KI: Trung Quốc FeCl3.6H2O: Đức I2: Trung Quốc CaCl2: Việt Nam HgSO4: Trung Quốc Tinh bột tan: Trung Quốc Na2SO3: Việt Nam CMC: Trung Quốc Casein: 2.3. Môi trường nuôi cấy 2.3.1.Môi trường MPA Cao thịt 3g Peptone 5g NaCl 5g Agar 20g Nước cất 1000ml 2.3.2. Môi trường Czapek - Dox NaNO3 3.5g K2HPO4 1.5g MgSO4 0.5g KCl 0.5g FeSO4.7H2O 0.01g Glucose 20g Agar 10g Nước cất 1000ml pH = 7 khử trùng 30 phút ở 1 atm. 2.3.3. Môi trường Hansen Glucose 50g Peptone 10g Cao men 3g KH2PO4 3g MgSO4.7H2O 3g Agar 15g Nước cất 1000ml pH = 7 khử trùng 30 phút ở 1 atm 2.3.4. Môi trường thử hoạt tính amylase, protease, cellulase của vi khuẩn Môi trường cơ sở Peptone 5 g Cao men 2,5 g Glucoza 1 g Nước cất 1000 ml pH 5,5 - 7,8 Enzyme cần thử Thành phần môi trường Amylase Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 1% tinh bột tan. Protease Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 1% casein hoặc 20 ml sữa đặc. Cellulase Môi trường cơ sở + thay Glucoza bằng 0,3 - 0,5% CMC. 2.3.5. Môi trường thử hoạt tính enzyme amylase, protease, cellulase của bùn hoạt tính Enzyme cần thử Thành phần môi trường Amylase Môi trường MPA + 1% tinh bột tan. Protease Môi trường MPA+ 1% casein. Cellulase Môi trường MPA + 1% CMC. 2.4. Phương pháp nghiên cứu 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu nước 2.4.1.1. Phương pháp lấy mẫu nước thải phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm Theo phương pháp lấy mẫu nước thải theo TCVN 5999:1995, ISO 5667 - 10:1992, ISO 5667-1. Lấy mẫu tổ hợp theo dòng chảy bằng cách lấy các mẫu đơn có thể tích từ 200 - 300 ml ở những thời điểm có dòng chảy khác nhau, các mẫu đơn được bảo quản ở 0 - 40C. 2.4.1.2. Phương pháp lấy mẫu để xử lý trong mô hình aeroten Lấy mẫu với số lượng lớn nên không cần bảo quản như trên. Trước khi đưa vào xử lý sẽ phân tích các chỉ số từ mẫu nước thải lấy từ thùng chứa. 2.4.2. Phương pháp hóa môi trường 2.4.2.1. Xác định chất rắn tổng số (TS) [13] Tổng lượng chất rắn là chất rắn còn lại trong bình sau khi sấy mẫu trong tủ sấy. Tổng lượng chất rắn bao gồm: chất rắn huyền phù và chất rắn hòa tan. a. Cách tiến hành - Chuẩn bị bát sứ: sấy bát sứ ở 1050C trong 1 giờ. Giữ bát trong bình hút ẩm trước khi dùng, cân ngay trước khi sử dụng. - Chuẩn bị mẫu: chọn thể tích mẫu thích hợp để lượng cặn còn lại khoảng 2,5 - 200 mg. Cho lượng mẫu thích hợp vào bát sứ, sấy khô trong tủ sấy đến khối lượng không đổi, sau đó đem cân. b. Tính toán kết quả TS = V ba 1000).(  (mg/l) Trong đó: a: khối lượng cặn và bát sứ sau khi sấy (mg) b: khối lượng bát sứ (mg) V: thể tích mẫu phân tích (ml) 2.4.2.2. Xác định chất rắn huyền phù (SS)[13] Mẫu được trộn đều đem lọc qua giấy lọc đã biết trước khối lượng. Cặn còn lại trên giấy lọc được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 1030C - 1050C. a. Cách tiến hành Đặt giấy lọc đã biết khối lượng vào phễu thủy tinh, chọn thể tích mẫu để lượng cặn còn lại không nhỏ hơn 2,5 mg. Nhỏ vài giọt nước để giấy lọc dính sát phễu, sau đó lọc lượng mẫu đã trộn đều qua giấy lọc. Rửa cặn bằng nước cất và tiếp tục hút chân không. Tách giấy lọc khỏi phễu đem đi sấy tới khối lượng không đổi ở nhiệt độ 103 - 1050C, sau đó đem cân. b. Tính toán kết quả SS = V ba 1000).(  (mg/l) Trong đó: a: khối lượng cặn và giấy lọc sau khi sấy (mg) b: khối lượng giấy lọc (mg) V: thể tích mẫu (ml) 2.4.2.3. Xác định nồng độ bùn MLSS [17] MLSS gồm bùn hoạt tính và chất rắn lơ lửng còn lại chưa được vi sinh vật kết bông. Thực chất đây là hàm lượng bùn cặn (có cả bùn hoạt tính và chất rắn vô cơ dạng lơ lửng chưa được tạo thành bùn hoạt tính). Lấy một lượng xác định (ml) bùn hoạt tính cho vào bát sứ rồi xác định theo phương pháp xác định chất rắn bay hơi (đã trình bày ở trên). Đơn vị của MLSS lấy theo mg/l. Đây là thông số quan trọng trong xử lí nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính. 2.4.2.4. Phương pháp xác định nồng độ bùn tối ưu [17] Bằng cách xác định chỉ số thể tích của bùn hoạt tính SVI: Chỉ số thể tích SVI được định nghĩa là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn ( theo chất khô không tro) trong 30 phút và được tính như sau: Cho 1000 ml hỗn hợp SVI = MLSS V 1000. (ml/g) SVI : chỉ số thể tích bùn hoạt tính. MLSS: khối lượng hỗn hợp lỏng - rắn thu được sau khi lắng trong (mg/l). V: thể tích mẫu thử (nước thải đang xử lí đem lắng) để lắng trong ống đong 1 lít trong 30 phút (ml/l). M: số gam bùn khô ( không tro). 1000: hệ số qui đổi mg ra gam. Giá trị SVI đánh giá khả năng kết lắng của bùn hoạt tính. Giá trị điển hình của SVI đối với hệ thống bùn hoạt tính làm việc ở nồng độ MLSS từ 2000 đến 3500mg/l thường nằm trong khoảng 80 – 150mg/l. 2.4.2.5. Phương pháp hoạt hóa bùn Cho bùn giống vào nước thải theo tỉ lệ 1 : 5, bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết vào hỗn hợp bùn - nước thải theo tỉ lệ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1. Sục khí khoảng 4 - 5 giờ, sau đó cho lại vào aeroten để dùng cho mẻ tiếp theo. 2.4.2.6. Xác định hàm lượng Nitơ tổng số [26] a. Hóa chất - H2SO4 đặc, CuSO4, K2SO4, H2SO4 0,1N, H2SO4 0,02N. - NaOH 40%, H3BO3 3 %, HCl loãng, H2O2 30%. - Chỉ thị Taxiro: hỗn hợp 2:1 của dung dịch metyl đỏ 0,1% trong rượu và metylen xanh 0,1% trong rượu etylic. b. Phương pháp tiến hành - Phá mẫu theo phương pháp Kendal: Hút 10 ml mẫu cho vào bình Kendal. Chú ý để mẫu vật không dính bám lên thành cổ bình. Cho tiếp vào bình Kendal 5 ml H2SO4 đặc. Thêm 0,5 g hỗn hợp xúc tác CuSO4 và K2SO4 theo tì lệ 1:3, lắc đều. Đậy bình bằng một chiếc phễu nhỏ rồi đặt lên bếp đun. Đun nhẹ 15 phút, sau đó mới đun mạnh đến sôi. Khi dung dịch có màu xanh nạht trong suet thì đun tiếp 15 phút nữa. Lấy ra để nguội, chuyển toàn bộ dung dịch vào bình định mức 100 ml, dùng nước cất tráng bình đốt và lên thể tích đến vạch định mức. Nitơ trong nước thải được chuyển về dạng amonisunphat. Để xác định Nitơ ở dạng này ta dùng phương pháp chuẩn độ. - Cất và chuẩn độ xác định ammoniac: Dùng kiềm đặc NaOH 40% cho vào bình nước cất chứa dung dịch sau khi phá mẫu, khi đó xảy ra phản ứng: (NH4)2SO4 + 2 NaOH 2NH3 + H2O + Na2SO4 Dùng axit boric 3 % để hấp phụ NH3, sử dụng chỉ thị màu taxiro: NH3 + H3BO3 (NH4)3BO3 Dùng dung dịch axit H2SO4 0,02 N để chuẩn lại lượng sản phẩm tạo thành (NH4)3BO3 + H2SO4 H3BO3 + (NH4)2SO4 c. Tính toán kết quả NTS (g/l) = Vm ba . 100.28.0).(  a: số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu phân tích b: số ml H2SO4 0,02 N dùng để chuẩn độ mẫu trắng. 0,28: số mg Nitơ ứng với 1 ml H2SO4 0,02 N. m: số ml mẫu đem đi phá mẫu. V: số ml mẫu lấy để phân tích từ bình định mức 100 ml. 100: thể tích bình định mức. 2.4.2.7. Xác định pH Để xác định pH của mẫu nước, chúng tôi kiểm tra bằng máy đo pH. 2.4.2.8. Xác định COD (TCVN 6491:1999, ISO 6060: 1989- Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi hóa học) a. Hóa chất - Bạc sunfat - axit sunfuric (Ag2SO4 - H2SO4) Cho 10g bạc sunfat (Ag2SO4) và 35ml nước. Cho từ từ 965 ml axit sunfuric đặc (ủ = 1.84g/ml), để 1 hoặc 2 ngày cho tan hết. Khuấy dung dịch để tăng thêm nhanh sự điều hòa. - Dung dịch kali bicromat Cân 12,259 g kali bicromat đã sấy khô ở 1050C trong 2 giờ, hòa tan vào nước cất và định mức đến 1000ml. - Dung dịch muối Mohr: Sắt (II) amoni sunfat, dung dịch chuẩn có nồng độ, c[(NH4)2Fe(SO4)2.6H2O]  0.12mol/l Hòa tan 47.0g sắt (II) amoni sunfat ngậm 6 phân tử nước (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O) vào nước cất. Thêm 20ml axit sunfuric đặc (ủ = 1.84g/ml). Để nguội và thêm nước cất cho đủ 1000ml (Chuẩn lại dung dịch muối Mohr bằng dung dịch K2Cr2O7 trước khi dùng). Dung dịch này phải chuẩn lại hàng ngày theo cách như sau: Pha loãng 10.0ml dung dịch kali dicromat đến khoảng 100ml với axit sunfuric. Chuẩn độ dung dịch này bằng dung dịch sắt (II) amoni sunfat nói trên sử dụng 2 hoặc 3 giọt chỉ thị feroin Nồng độ c của sắt (II) amoni sunfat (mol/l) được tính theo công thức: V c = V dung dÞch K2Cr2O7 × 0,25 Trong đó: V là thể tích dung dịch sắt (II) amoni sunfat tiêu (ml) - Thủy ngân sunfat (HgSO4): loại tinh dùng cho phân tích hóa học. - Chỉ thị ferroin Hòa tan 0,7 g FeSO4.7H2O cùng với 1,5 g chất 1, 10 - phenantrolindihidrat trong nước, lắc cho đến khi tan hết. Pha loãng thành 100 ml. b. Thiết bị, dụng cụ - Bộ chưng cất hồi lưu gồm có 1 bình cầu chịu nhiệt có cổ nhám nối với 1 ống sinh hàn. - Bếp đun - Buret chính xác - Hạt thủy tinh thô đường kính 2mm đến 3mm. c. Cách tiến hành Cho 10 ml mẫu vào bình cầu, thêm 5 ml dung dịch kali bicromat, thêm 0,4 g thủy ngân sunfat. Thêm vài hạt thủy tinh vào mẫu thử và lắc trộn đều. Thêm từ từ 15 ml dung dịch bạc sunfat trong axit sunfuric và nhanh chóng lắp bình vào ống sinh hàn. Đưa hỗn hợp phản ứng tới sôi trong 10 phút và tiếp tục đun 110 phút nữa. Nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng cần phải đạt là 148 ± 30C. Làm nguội ngay bình cầu bằng nước lạnh cho đến khoảng 600C và rửa ống sinh hàn bằng nước cất. Pha loãng hỗn hợp phản ứng đến 75 ml và làm nguội đến nhiệt độ phòng. Chuẩn độ lượng kali bicromat dư bằng sắt (II) amoni sunfat, sử dụng 1 hoặc 2 giọt chỉ thị feroin. Tiến hành phép thử trắng song song cho mỗi lần xác định theo qui trình đã tiến hành với mẫu thử, thay thế 10 ml mẫu thử bằng 10 ml nước cất. Nhu cầu COD ( mgO2/l) được tính theo công thức: COD = 0 21 8000.).( V cVV  (mg/l) Trong đó: c: nồng độ của sắt (II) amoni sunfat (mol/l). V0: thể tích mẫu thử (ml). V1: thể tích của sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu trắng (ml). V2: thể tích của sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu thử (ml). 8000: khối lượng mol của 1/2 O2 (mg/l) 2.4.2.9 Phương pháp xác định BOD5 bằng phương pháp Winkler cải tiến [26] a. Nguyên tắc BOD là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí. Đây là một đại lượng để đánh giá mức độ ô nhiễm (về mặt chất hữu cơ và vi sinh vật của nước). Phương pháp Winkler dựa trên sự oxi hóa Mn+2 thành Mn+4 bởi lượng oxi hòa tan trong nước. Nếu nước không có oxi hòa tan thì kết tủa Mn(OH)2 vẫn giữ màu trắng sau khi thêm dung dịch iodua - kiềm vào mẫu có sẵn MnSO4. Nếu mẫu có oxi hòa tan thì một phần Mn+2 bị oxi hóa thành Mn+4 có màu nâu theo phản ứng: Lượng oxi hòa tan trong phản ứng trên được định phân gián tiếp qua lượng iod sinh ra khi MnO2 tiếp tục tác dụng với iodua khi thêm dung dịch iodua – kiềm vào mẫu theo phản ứng: Mn+2 + 2OH- + 1/2O2 MnO2 + H2O MnO2 + 2I- + 4H+ 2S2O3-2 + I2 S4O6-2 + 2I- Mn+2 + I2 + H2O b. Dụng cụ: - Bình ủ BOD 300 ml - Buret 25 ml - Cân phân tích - Pipet 2 ml - Bình định mức - Phòng ủ lạnh 200C c. Hóa chất * Dung dịch phân tích - Axit sunfuric H2SO4 98% - Hồ tinh bột 1%: hòa tan 1 g hồ tinh bột trong 100 ml nước, đun nóng. Thêm dung dịch I2 - KI 0,01 mol/l cho tới khi có ánh xanh, thêm một vài hạt HgI2 để bảo vệ dung dịch. - Dung dịch MnSO4 (Mix I): hòa tan 480 g MnSO4.4H2O, sau đó định mức nước cất lên 1000 ml. - Hỗn hợp dung dịch iod - kiềm - azide (MixII): hòa tan 500 g NaOH và 135 g NaI định mức nước cất lên 1000 ml. Thêm vào dung dịch này 10 g NaN3 đã hòa tan và định mức trong 40 ml bằng nước cất. - Dung dịch Na2S2O3 0,025N: hòa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O và định mức thành 1000 ml bằng nước cất. * Hóa chất pha loãng: - Dung dịch đệm phosphate: hòa tan 8,5 g KH2PO4 và 1,7 g NH4Cl vào bình định mức 1 lít, định mức đến 1000 ml bằng nước cất. Dung dịch phải có pH = 7.2. - Dung dịch MgSO4: hòa tan 22,5 g MgSO4.7H2O trong nước cất và định mức thành 1000 ml. - Dung dịch CaCl2: hòa tan 27.5 g CaCl2 trong nước cất và định mức thành 1000 ml. - Dung dịch FeCl3: hòa tan 0,25 g FeCl3.6H2O trong nước cất và định mức thành 1000 ml. - Dung dịch axit và kiềm 1 N: dùng để điều chỉnh pH nếu cần. * Chuẩn bị dung dịch pha loãng mẫu Lấy chai to miệng rộng, cho tương ứng các dung dịch đệm phosphate, MgSO4, FeCl3 mỗi loại 1 ml và thêm nước cất vào thành 1000 ml. Thổi không khí sạch ở 200C vào nước và lắc nhiều làm cho oxi bão hòa (thường thổi khí khoảng hơn 2 giờ). * Tỉ lệ pha loãng: Tùy thuộc vào loại nước mẫu mà ta pha loãng với các mức độ khác nhau. Thứ tự Nguồn lấy mẫu Khoảng giá trị BOD5(mg/l) Thể tích mẫu (ml) Thể tích dung dịch pha loãng (ml) Hệ số pha loãng (lần) 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 đó: L: hồ R: sông hoặc hồ chứa E: nước cống sau khi xử lí sinh học S: nước cống ổn định hoặc nước thải công nghiệp nhẹ C: nước cống thô ( chưa xử lí hoặc ổn định) I: nước thải công nghiệp ô nhiễm nặng c. Cách tiến hành: Rót đầy mẫu vào chai BOD có dung tích 300 ml, tránh bọt bám trên thành chai, đậy nút loại bỏ mẫu thừa. ủ 5 ngày, tưới nước cất lên nắp bình vào mỗi buổi sáng để tránh bọt khí, sau đó phủ lên bình bằng giấy báo. Buồng ủ có nhiệt độ 200C. * Xác định DO5: - Cho 2 ml dung dịch Mix I và 2 ml dung dịch Mix II vào mẫu sau khi ủ 5 ngày rồi đậy nút và lắc mạnh để phản ứng xảy ra hoàn toàn. - Đợi kết tủa lắng yên, cho thêm 2 ml H2SO4 98% rồi lắc mạnh để hòa tan hết kết tủa. - Dùng ống đong lấy 203 ml mẫu sau khi cho hóa chất. - Chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 0,025N tới lúc mẫu chuyển sang màu vàng chanh thì cho thêm 1 - 3 giọt hồ tinh bột, sau đó lắc nhẹ và chuẩn độ tiếp cho đến khi mẫu bắt đầu mất màu. - Ghi lại thể tích Na2S2O3 (ml) đã dùng, thể tích này đúng bằng nồng độ DO5 (mg/l). - Tiến hành song song với một mẫu nước cất có sục khí bão hòa. * Xác định DO0: Xác định giống DO5 nhưng làm trên mẫu vừa lấy về không ủ (xác định ngay sau khi chuẩn bị mẫu xong). Công thức tính: D00 – DO5 BOD5(mg/l) = P Chú ý: cứ 1 ml dung dịch Na2S2O3.H2O 0,025N tương ứng 0,2 mg DO nên mỗi ml chuẩn độ tương ứng 1 mg DO/l khi mẫu nước ban đầu là 203 ml (1ml O2 = 0,7*1mg O2/l). Trong đó: DO0: nồng độ DO của hỗn hợp mẫu và dung dịch cấy trước khi ủ. DO5: nồng độ DO của hỗn hợp mẫu và dung dịch cấy sau khi ủ 5 ngày. P: V1/V2. V1: thể tích mẫu. V2: thể tích mẫu và dung dịch cấy. 2.4.3 Phương pháp vi sinh 2.4.3.1 Phương pháp định lượng vi sinh vật bằng phương pháp đếm số khuẩn lạc trên thạch đĩa [6, 19, 20, 21, 28] a. Pha loãng mẫu - Hút 1 ml nước thải vào ống nghiệm thứ nhất có chứa 9 ml nước cất vô khuẩn. - Trộn đều dung dịch bằng cách hút lên rồi thổi xuống 3 - 5 lần. Độ pha loãng mẫu lúc này là 10- 1. - Tiếp tục hút 1 ml ở ống nghiệm thứ nhất cho vào ống nghiệm thứ hai chứa 9 ml nước cất vô khuẩn. - Trộn đều như trên. Độ pha loãng mẫu lúc này là 10-2. - Cứ tiếp tục như vậy để có mẫu ở các độ pha loãng 10-3, 10-4, 10-5, 10-6,… Tùy theo nồng độ vi sinh vật ước đoán trong mẫu mà tiến hành pha loãng mẫu với các tỉ lệ khác nhau. b. Cách tiến hành - Chuẩn bị môi trường thạch đĩa: môi trường MPA, Czapek, Hansen được khử trùng ở 1 atm trong 30 phút, đổ vào các đĩa petri vô trùng, chờ thạch đông và khô mặt thạch. - Ghi vào đáy đĩa petri có môi trường thạch thích hợp với từng loại vi sinh vật các thông tin: + Nồng độ pha loãng + Ngày cấy - Dùng pipetman gắn đầu côn vô trùng lấy từ các độ pha loãng thích hợp nhỏ vào mỗi đĩa petri 0,1 ml (tương đương với 2 giọt dịch ), mỗi độ pha loãng được lặp lại 3 lần. Dùng que gạt vô trùng dàn đều dịch tế bào lên khắp bề mặt thạch. Số tế bào cấy trên bề mặt thạch phải được dàn đều và không nên vượt quá vài trăm. - Các đĩa petri đã được cấy dịch tế bào, gói kín và đặt úp ngược đĩa trong tủ ấm 370C. Sau 24 giờ đếm số khuẩn lạc trong mỗi đĩa. c. Cách đếm - Lấy bút chì kẻ hai đường vuông góc dưới đáy đĩa Petri và đánh dấu thứ tự từng vùng I, II, III, IV. - Đếm số khuẩn lạc trong từng vùng, nhớ đánh dấu các khuẩn lạc đã đếm. - Số lượng tế bào vi sinh vật trong 1 ml mẫu được tính theo công thức sau đây: Sè tÕ bμo n ml mÉu v = . D Trong đó: n: số khuẩn lạc trung bình trong một đĩa petri ở một độ pha loãng nhất định. v: thể tích dịch mẫu đem cấy. D: hệ số pha loãng 2.4.3.2 Phương pháp phân lập vi khuẩn từ bùn hoạt tính [2, 21, 28, 33] a. Pha loãng mẫu ( tiến hành tương tự như trên) b. Cấy mẫu - Thể tích các mẫu được cấy lên thạch đĩa thường là 0,1 ml. - Lấy que gạt vô khuẩn phân bố đều mẫu trên bề mặt thạch. Đậy nắp đĩa lại để thấm hút hết mẫu trong vài phút. - Úp ngược đĩa thạch rồi đem ủ trong tủ ấm ở 370C. c. Chọn khuẩn lạc đặc trưng và xác định hình thái khuẩn lạc - Chọn những khuẩn lạc đặc trưng, lấy một vòng que cấy khuẩn lạc cho vào nước cất vô trùng, sau đó pha loãng với các nồng độ thích hợp, chọn nồng độ pha loãng sao cho khi cấy 0,1 ml vào đĩa thạch sẽ xuất hiện các khuẩn lạc giống nhau riêng rẽ. - Đặt vào tủ ấm 370C trong 24 giờ. - Tiến hành quan sát các khuẩn lạc này từ các phía (từ trên xuống, từ bên cạnh), chú ý về kích thước, hình dạng mép, hình dạng khuẩn lạc, bề mặt, độ dày, có núm hay không, độ trong, màu sắc (trên, dưới, có khuếch tán ra môi trường hay không). 2.4.3.3 Phương pháp nhuộm Gram [6, 19 ] Đây là phương pháp nhuộm vi khuẩn của Christian Gram. Nhuộm Gram không những giúp phân biệt vi khuẩn nhờ các đặc điểm hình thái và sự sắp xếp của tế bào mà còn cung cấp thông tin về lớp vỏ tế bào. Khi nhuộm theo phương pháp này, tế bào vi khuẩn Gram dương có lớp vỏ tế bào dày tạo bởi peptidoglycan sẽ có màu tím, còn vi khuẩn Gram âm có lớp vỏ tế bào mỏng hơn (do có ít peptidoglycan hơn) và được bao bọc bởi một lớp màng mỏng sẽ có màu hồng. a. Hóa chất Gentian violet 1g R−îu ªtylic 960 10ml Phªnol ®· tinh chÕ l¹i 5g N−íc cÊt 100ml 1) 2) b. Cách tiến hành - Dùng que cấy lấy từ 1 đến 2 giọt canh trường chứa vi khuẩn cần quan sát bôi lên phiến kính rồi để khô. - Cố định vết bôi bằng cách hơ nhẹ phiến kính lên ngọn lửa đèn cồn. - Nhuộm tím gentian trong 1 phút rồi rửa bằng nước cất không quá 2 giây (cho dòng nước chảy nhẹ qua tiêu bản, tránh không xối lên vết bôi). - Ngâm trong dung dịch lugol 1 phút. - Tẩy màu bằng cồn trong 30 giây và rửa lại bằng nước cất. - Làm khô vết bôi và nhuộm bổ sung bằng dung dịch fuchsin trong 1 - 2 phút. - Rửa lại bằng nước cất rồi hơ qua đèn cồn cho khô. - Quan sát dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại 1000 lần. - Kết quả: Tế bào bắt màu tím là vi khuẩn Gram +, tế bào bắt màu hồng là vi khuẩn Gram -. 2.4.3.4 Phương pháp nhuộm bào tử ( Phương pháp M.A. Peskop) [19] a. Hóa chất - Xanh metylen Loeffler: Rượu etylic 300 ml Xanh metylen 20 g Hòa tan hỗn hợp trên rồi lọc trong (1) Dịch lọc (1) 30 ml KOH 1% 1 ml Nước cất 1000 ml - Đỏ trung tính 0,5%: Đỏ trung tính 0,5 g Nước cất 100 ml Lọc trong trước khi dùng b. Cách tiến hành: - Làm vết bôi với vi khuẩn nuôi cấy trên thạch nghiêng sau 2 tuần tuổi. - Cố định tiêu bản trên ngọn đèn cồn. - Nhuộm xanh metylen Loffler, hơ nóng phía dưới và giữ trong 1phút (nếu thuốc cạn phải bổ sung). - Rửa kĩ vết bôi cho đến khi hết màu. - Nhuộm đỏ trung tính 0,5% trong 1 phút. - Rửa nước, làm khô và quan sát trên kính hiển vi với vật kính dầu (x 100). - Kết quả: bào tử màu xanh, tế bào chất màu đỏ 2.4.3.5 Phương pháp kiểm tra khả năng di động [2] a. Vật liệu: Chuẩn bị ống nghiệm chứa môi trường thạch bán lỏng (0,3 – 0,6% thạch). b. Cách tiến hành: - Dùng que cấy có đầu nhọn cấy vikhuẩn theo kiểu chích sâu vào môi trường thạch bán lỏng. - Đặt ống nghiệm thẳng đứng, ủ ở nhiệt độ thích hợp và quan sát sau 1 – 3 ngày, có khi lâu hơn. - Kết quả: Vi khuẩn mọc lan rộng quanh vết cấy tức là chúng có khả năng di động. Vi khuẩn chỉ mọc theo vết cấy tức là chúng không có khả năng di động. 2.4.3.6 Phương pháp xác định sự có mặt của vi khuẩn nitrate hóa Pha một lượng nước có (NH4)2SO4 và một lượng nước thải với bùn, lắc trong một thời gian thích hợp (khoảng 1 -2h), phân tích lượng NH4+ đầu và cuối, nếu NH4+ giảm thì chứng tỏ có vi khuẩn nitrate hóa. Sau khi lắc để yên, phân tích lượng NO3- đầu và cuối, nếu giảm thì chứng tỏ có vi khuẩn phản nitrate hóa. 2.4.4 Phương pháp hóa sinh 2.4.4.1 Phương pháp xác định các hoạt tính enzyme của bùn hoạt tính Khi các enzyme amylase, protease, cellulose tác dụng lên cơ chất thích hợp lần lượt là tinh bột tan, casein, CMC trong môi trường thạch, cơ chất bị phân giải làm cho độ đục của môi trường bị giảm đi, môi trường trở nên trong suốt. Độ trong suốt được tạo ra của môi trường tỉ lệ với độ hoạt động của enzyme. Cách tiến hành: - Chuẩn bị môi trường thạch có chứa cơ chất thích hợp (tinh bột tan, casein, CMC) được phân đều vào các đĩa petri. Sau khi thạch đông, đục những giếng nhỏ có đường kính 0,4 cm trên bề mặt thạch, dùng pipetman lấy dịch bùn cấy vào các lỗ khoan, giữ ở 370C. Sau 24 giờ, kiểm tra vòng phân giải của bùn. - Sau một thời gian thí nghiệm + Nhỏ dung dịch lugol, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme amylase và cellulose sẽ tạo thành các vòng sáng xung quanh giếng thạch. + Nhỏ dung dịch HgCl2, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme protease sẽ tạo thành các vòng sáng xung quanh giếng thạch. 2.4.4.2 Phương pháp kiểm tra hoạt tính amylase, protease, cellulase của các loại vi khuẩn Khi các enzyme amylase, protease, cellulase tác dụng lên cơ chất thích hợp (tinh bột tan, casein, CMC) trong môi trường thạch, cơ chất bị phân giải làm cho độ đục của môi trường bị giảm đi, môi trường trở nên trong suốt. Độ trong suốt được tạo ra của môi trường tỉ lệ với độ hoạt động của enzyme. Cách tiến hành: - Chuẩn bị môi trường thạch có chứa cơ chất thích hợp (tinh bột tan, casein, CMC) được phân đều vào các đĩa petri. - Cấy chấm điểm các chủng vi khuẩn lên bề mặt thạch. Sau 24 giờ ủ ở 370C, kiểm tra vòng phân giải xuất hiện xung quanh khuẩn lạc. - Nhỏ dung dịch lugol, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme amylase và cellulase sẽ tạo thành các vòng sáng xung quanh giếng thạch. - Nhỏ dung dịch HgCl2, nếu bùn có hoạt tính sinh enzyme protease sẽ tạo thành các vòng sáng xung quanh giếng thạch. 2.4.4.3 Phương pháp xác định khả năng sinh enzyme catalase [2, 20] Nhỏ một giọt dung dịch H2O2 nồng độ 10% lên phiến kính, dùng đầu que cấy lấy một ít vi khuẩn mới hoạt hóa (24h) trộn vào giọt H2O2 trên phiến kính. Nếu chủng vi khuẩn nào sinh enzyme catalase sẽ tạo thành bọt khí trên phiến kính. 2.4.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm Các vật liệu dùng trong chế tạo mô hình aeroten gồm: thùng nhựa 80 - 100l, thùng nhựa hình chữ nhật dung tích 50l, thùng nhựa 20l, máy nén khí 35 kw (6 đầu phun hoặc 10 đầu phun), can nhựa 5l, các đường ống bằng PVC, van bằng PVC. Mô hình được bố trí như sau: Thùng lắng sơ cấp 1 Thùng lắng 1 Bể hoạt hóa bùn Tuần hoàn bùn Aeroten có sục khí Thùng lắng 2 Thùng điều hòa 2.4.6. Phương pháp xử lí số liệu Ứng dụng phần mềm Word, Excel để xử lý các số liệu. CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần và tính chất của nước thải Đặc tính của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (chiếm từ 55 - 65% tổng lượng chất bẩn). Thành phần của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát nước, điều kiện vệ sinh… Nước thải xả ra ngoài môi trường phải đạt được các chỉ tiêu theo TCVN 5945 - 1995. Bảng 3.1: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945 – 1995 Mức cho phép Chỉ tiêu Đơn vị A B COD mg/l <50 <100 BOD mg/l <20 <50 SS mg/l <50 <100 pH 6,5 - 7,5 6 – 9 Nước thải dùng cho quá trình nghiên cứu được lấy tại cuối dòng chảy ra của cống nước thải sinh hoạt Nguyễn Biểu. Theo khảo sát ban đầu của chúng tôi, nước thải ở khu vực này chứa nhiều chất hữu cơ chưa được phân hủy, các chất vô cơ… Chúng tôi tiến hành lấy mẫu và phân tích trong khoảng thời gian từ tháng 11/2008 đến tháng 03/2009 và đã thu được kết quả về các chỉ tiêu COD, BOD5, SS, TS và pH. Kết quả được thể hiện ở bảng sau: Bảng 3.2: Các chỉ tiêu lý hóa của nước thải cống Nguyễn Biểu Thời gian khảo sát Chỉ tiêu 19/11/08 19/12/08 19/01/09 19/02/09 19/03/09 Lần 1 230.7 454.5 355.9 300.8 311.5 Lần 2 250 467.8 322.3 333.3 280 COD (mg/l) Lần 3 269.8 428.6 391.3 290.3 300 Lần 1 121.4 227.3 222.4 167.1 207.6 Lần 2 138.9 212.6 169.6 168.3 164.7 BOD5(mg/l) Lần 3 192.7 171.4 177.8 207.3 187.5 Lần 1 66.7 225 94 75 127.5 SS (mg/l) Lần 2 86.7 187.5 90 90 105 Lần 3 100 150 110 97.5 120 Lần 1 133.3 375 146.5 150 240 Lần 2 200 337.5 120 165 127.5 TS (mg/l) Lần 3 266.7 292 135 187.5 240 Lần 1 7,2 6.5 6.8 6,91 6,87 Lần 2 6,42 6.7 7.02 7.09 6,9 Ph Lần 3 6,19 6.2 7 6,28 6,84 Cảm quan màu, mùi Hơi đen, hôi Đen, thối hơi đen, thối Đen, thối Đen, thối BIỂU ĐỒ CÁC CHỈ TIÊU LÝ HÓA CỦA NƯỚC THẢI CỐNG NGUYỄN BIỂU 0 100 200 300 400 500 19/11/08 19/12/08 19/01/09 19/02/09 19/03/09 C O D (m g/ l) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Qua biểu đồ, ta nhận thấy hàm lượng COD của nước thải khu vực cống Nguyễn Biểu không thay đổi nhiều qua các tháng. Mức độ ô nhiễm của nước thải thay đổi theo mùa, theo nước lớn nước ròng và theo thủy triều lên xuống khác nhau. Tuy nhiên, độ pha loãng của nước kênh hay nước mưa đều không làm giảm đáng kể lượng ô nhiễm của nước thải. Kết quả trên cho thấy, nước thải khu vực này vượt quá tiêu chuẩn cho phép thải ra kênh Tàu Hũ, nước thải chưa được xử lí trước khi thải ra môi trường. Mức độ ô nhiễm này cao hơn so với tiêu chuẩn loại B từ 3 đến 5 lần, chỉ có chỉ tiêu pH là đáp ứng được theo tiêu chuẩn loại B. 3.2. Thành phần số lượng vi sinh vật trong nước thải Bên cạnh các chất gây bẩn, trong nước thải sinh hoạt còn chứa một lượng lớn các vi sinh vật (trong đó có nhiều vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ). Chỉ tiêu vi sinh vật cũng là một trong những yếu tố quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm. Tuy nhiên, trong số các vi sinh vật ở đây chúng tôi chưa có điều kiện xác định các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là bệnh đường ruột. Chúng tôi đã tiến hành phân tích thành phần vi sinh vật có trong nước thải tại một số thời điểm của các tháng khác nhau. Kết quả được trình bày trong bảng sau: Bảng 3.3: Số lượng vi sinh vật trong nước thải cống Nguyễn Biểu, quận 5, Tp.HCM Số lượng vi sinh vật trong nước thải (CFU/ml) Thời gian khảo sát Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc 11 - 2008 3,2.105 1,2.102 2,3.102 12 - 2008 2,5.106 102 103 01 - 2009 1,5.107 8.102 5,1.102 02 - 2009 2.107 5.104 8.105 03 - 2009 7.106 3.102 4,2.102 Dựa vào bảng kết quả trên, chúng tôi nhận thấy số lượng các loại vi sinh vật trong nước thải này khá cao, đặc biệt là vi khuẩn. Do đó, ta có thể áp dụng phương pháp xử lí sinh học đối với nước thải loại này, tận dụng nguồn vi sinh vật có sẵn trong nước thải để xử lí. Phương pháp xử lí mà chúng tôi ưu tiên lựa chọn ở đây là phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí. 3.3. Chế tạo mô hình aeroten Bể aeroten được dùng phổ biến trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí với bùn hoạt tính. Nước thải sau khi được lọc rác qua bể lắng sơ cấp 1 có chứa các chất hữu cơ hòa tan và hàm lượng cặn lơ lửng đóng vai trò là nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển dần thành các bông cặn màu nâu sẫm gọi là bùn hoạt tính. Các bông này dần dần to và lơ lửng trong nước. Trong quá trình xử lý, các vi khuẩn sinh trưởng và phát triển ở trạng thái huyền phù, các vi sinh vật trong bùn đã phân hủy một lượng lớn các chất dinh dưỡng có cấu trúc phức tạp trong nước thải. Để đảm bảo quá trình xử lí phải luôn cung cấp oxi, đảm bảo nồng độ oxi hòa tan trong nước thải cung cấp cho sự sinh trưởng, sinh sản, phát triển của vi sinh vật và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Việc cung cấp oxi cho quá trình được thực hiện bằng cách sục khí từ dưới phía đáy bể bằng máy sục khí với công suất 35w. Bùn hoạt tính trong bể phải đảm bảo có màu vàng nâu, dễ lắng, kích thước bông bùn từ 50 – 200 m. Sau khi đã xử lí trong bể aeroten nước thải liên tục được đưa vào bể lắng thứ cấp nhằm để lắng trong nước ở phần trên, xả ra nguồn tiếp nhận và cô đặc bùn hoạt tính đến nồng độ nhất định ở phần dưới của bể, tuần hoàn lại một phần bùn vào bể aeroten để làm bùn giống, tiếp tục xử lí nước mẻ sau. Theo thực nghiệm chỉ số thể tích của bùn SVI phải từ 80 – 150mg/l thì mới lắng tốt. Nước trong được xả ra ở phía trên thành bể lắng thứ cấp. Dựa vào những mô tả trên, chúng tôi đã tiến hành bố trí mô hình như sau: 2 1 3 4 6 5 Ghi chú: 1- Thùng lắng sơ cấp 1 2- Thùng điều hòa 3- Aeroten 4- Thùng lắng thứ cấp 2 5- Thùng lắng thứ cấp 3 6- Máy sục khí 3.4. Nghiên cứu xử lý nước thải theo mẻ 3.4.1. Xử lý nước thải theo mẻ Trước khi tiến hành thí nghiệm xử lý nước thải theo mẻ, chúng tôi phân tích một số chỉ tiêu của nước thải với kết quả được trình bày ở bảng sau: Bảng 3.4. Hiện trạng nước thải trước khi xử lý Các chỉ số Hàm lượng Cảm quan COD (mg/l) 300 – 420 BOD5 (mg/l) 120 – 200 Tổng N (mg/l) 9.88 Tổng P (mg/l) 2.93 SS 90 – 157 màu đen, mùi hôi thối pH 6.4 – 6.85 Với các chỉ tiêu đã khảo sát được, chúng tôi nhận thấy loại nước thải này hoàn toàn phù hợp với xử lý sinh học hiếu khí trong aeroten. Quá trình làm sạch nước thải bằng bể aeroten cần phải tạo được bùn hoạt tính, do đó phải tiến hành tạo bùn bằng cách tạo điều kiện môi trường cho các vi sinh vật phát triển. Quá trình thí nghiệm được tiến hành với 4 mẻ như sau: Mẻ 1: Nước thải được đưa vào bể aeroten có sục khí , không bổ sung lượng bùn giống mà bùn hoạt tính được tạo thành sau 48 h xử lí. Bùn ở mẻ 1 được thu lại và làm hoạt hóa bằng cách bổ sung dinh dưỡng và sục khí trong 5 giờ trước khi được bổ sung vào mẻ 2. Mẻ 2: Nước thải bổ sung lượng bùn đã hoạt hóa ở mẻ 1. Sau khi xử lí mẻ 2, thu lại khoảng 70% lượng bùn tạo thành, sau đó hoạt hóa lại bùn rồi bổ sung vào mẻ 3. Mẻ 3: Nước thải bổ sung lượng bùn đã hoạt hóa ở mẻ 2. Sau khi xử lí mẻ 3, thu lại khoảng 50% lượng bùn tạo thành, sau đó hoạt hóa lại bùn rồi bổ sung vào mẻ 4. Mẻ 4: Nước thải bổ sung lượng bùn đã hoạt hóa ở mẻ 3. Kết quả sau 48h xử lí được trình bày ở bảng: Bảng 3.5. Kết quả xử lý nước thải theo mẻ Kết quả xử lý theo thời gian (h) Chỉ tiêu Mẻ xử lý 0 12 24 36 48 1 428.5 333 250 200 98.9 2 415.9 259 194 100 3 391.3 176.4 88.4 COD (mg/l) 4 300.8 73.8 54 1 216.4 151.3 126.2 95.2 47 2 207.9 143.8 84.7 50.5 3 182 98 36.8 BOD5 (mg/l) 4 200.5 43 39.7 1 6.28 7.05 7.55 7.78 7.9 2 6.87 6.95 7.15 7.45 3 6.9 7.34 7.42 pH 4 7.09 7.16 1 đen, thối hơi đen, thối ít, đục vàng, tanh, đục hơi vàng, tanh, hơi đục hơi trong, không mùi 2 đen thối vàng, hôi hơi vàng, tanh trong, không mùi 3 đen, thối vàng, tanh trong, không mùi Cảm quan (mùi, màu) 4 đen, hôi trong, không mùi Theo kết quả, nước sau xử lý ở mẻ 1 và mẻ 2 đạt được tiêu chuẩn loại B với thời gian là sau 36 – 48 h, ở mẻ 3 và mẻ 4 thời gian xử lý rút ngắn dần trong vòng 12 – 24h nước sau xử lý đã đạt tiêu chuẩn loại B, không còn mùi hôi. BIỂU ĐỒ KẾT QUẢ XỬ LÝ COD 0 100 200 300 400 500 0 12 24 36 48 Thời gian xử lý (h) C O D (m g/ l) Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3 Mẻ 4 Song song với quá trình khảo sát các chỉ tiêu COD, BOD5, chúng tôi cũng tiến hành phân tích nồng độ bùn hoạt tính. Kết quả được thể hiện ở bảng sau: Bảng 3.6. Lượng bùn hoạt tính tạo thành trong quá trình xử lý nước thải theo mẻ Thời gian xử lý (h) Các chỉ số Mẻ 12 24 36 48 Ghi chú 1 1.3 1.45 1.6 1.8 2 1.6 2.1 2.53 3 2.2 3.1 Lượng bùn (g/l) 4 3.45 3.24 Bùn mẻ trước được hoạt hóa lại để bổ sung vào mẻ sau 1 30 48 60 66.6 2 40 56.4 75 3 67.5 81.2 SVI 4 80 92.7 Theo thực nghiệm thì chỉ số SVI từ 80 - 120 là bùn tốt, thời gian lắng vừa phải, đảm bảo đủ thời gian tiếp xúc giữa bùn và chất hữu cơ. Tuy nhiên theo kết quả thu được thì mẻ 1 và 2 chưa thu được nồng độ bùn thích hợp, lúc này lượng bùn tạo ra còn rất thấp, thời gian lắng bùn hoàn toàn thường là sau khi xử lý khoảng 10 giờ. Do đó, thời gian xử lý để cho ra nước thải loại B thường là từ 36 - 48 h. Bắt đầu từ mẻ 3, mẻ 4 lượng bùn hoạt tính tạo ra khá ổn định, thường là từ 3 - 3,45 g/l. Thời gian lắng bùn hoàn toàn ở bể lắng 2 thường là sau 3 h kể từ khi xả nước vào bể lắng 2. Nước đầu ra đạt nước thải loại B, nước hơi vàng, không còn mùi hôi. Dưới đây là một số hình ảnh về nước thải trước, trong và sau khi lắng 30 phút: Nước trước khi xử Nước đang xử lí trong aeroten Nước thải sau khi xử lí để lắng 30 phút Hình 2. Nước thải trước trong và sau khi xử lý 3.4.2. Xác định số lượng vi sinh vật trong bùn hoạt tính Khi nồng độ bùn đạt được 3,45g/l, chúng tôi tiến hành phân tích thành phần vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Kết quả được thể hiện trong bảng: Bảng 3.7. Số lượng vi sinh vật trong nước thải cống Nguyễn Biểu Thành phần vi sinh vật Số lượng (CFU/ml) Vi khuẩn 109 – 5.1010 Nấm men 10 Nấm mốc 10 Kết quả trên cho thấy số lượng vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính chiếm gần 100% so với tổng số vi sinh vật. Số lượng nấm men và nấm mốc giảm rõ rệt, điều kiện môi trường trong bể aeroten càng về sau xử lí càng có khuynh hướng kiềm hóa, đây là điều kiện bất lợi đối với sự sinh trưởng và phát triển của nấm men, nấm mốc. Nấm men già, chết đi sẽ trở thành nguồn dinh dưỡng cho vi khuẩn hiếu khí phát triển, làm tăng sinh khối vi khuẩn và tạo nhiều bùn hoạt tính hơn. 3.4.3. Xác định hoạt tính enzyme của bùn Như đã đề cập, bùn hoạt tính tập hợp nhiều loại vi khuẩn khác nhau cùng tồn tại, các vi khuẩn trong bùn hấp phụ các hợp chất hữu cơ hòa tan làm tăng sinh khối, cũng có nghĩa làm cho bông bùn hoạt tính có kích thước lớn hơn. Vi khuẩn trong bùn có tác dụng tiết các enzyme phân giải các chất hữu cơ, do đó chúng tôi tiến hành khảo sát hoạt tính của bùn hay hoạt tính của hỗn hợp nhiều loại vi khuẩn. Trong thí nghiệm này, chúng tôi chỉ khảo sát hoạt tính ba loại enzyme amylase, protease, cellulase. Kết quả được thể hiện ở các hình:. Hoạt tính protease của bùn hoạt tính Hoạt tính cellulase của bùn hoạt tính Hoạt tính amylase của bùn hoạt tính Hình 3. Hoạt tính enzyme của bùn hoạt tính Kết quả trên cho thấy bùn hoạt tính có khả năng phân giải cả ba loại hợp chất hữu cơ protein, tinh bột, cellulose. Đây là những hợp chất hữu cơ chủ yếu gây bẩn trong nước thải sinh hoạt. Do đó, bùn có khả năng làm sạch các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải. 3.4.4. Đặc điểm của các chủng vi khuẩn trong bùn hoạt tính Bông bùn hoạt tính tập trung nhiều chủng vi khuẩn khác nhau, do đó chúng tôi tiến hành khảo sát thành phần các loại vi khuẩn có trong bùn hoạt tính. Sau quá trình nuôi cấy, chúng tôi đã phân lập được 30 chủng vi khuẩn có trong bông bùn, các chủng vi khuẩn này đều thuộc vi khuẩn hiếu khí, đặc điểm của các chủng vi khuẩn được thể hiện trong bảng sau: Bảng 3.8. Đặc điểm của các chủng vi khuẩn Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Khả năng di động Hoạt tính catalase Nhuộm Gram Đặc điểm Chủng tròn, trơn nhỏ vàng Cầu, đơn Không Có - VK1 Tròn nhẵn, hơi lồi nhỏ Trắng sữa Cầu nhỏ, đơn Có Có - VK2 Không đều, phẳng Lớn Trắng Que dài đơn hoặc chuỗi Có Có + VK3 Không đều, phẳng, có nhiều sợi nhỏ Vừa phải Trắng Que ngắn hoặc oval Có Có - VK4 VK5 Tròn nhẵn nhỏ Hơi vàng Cầu nhỏ Có Có - Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Khả năng di động Hoạt tính catalase Nhuộm Gram Đặc điểm Chủng Tròn, hơi phẳng nhỏ Hơi vàng tròn Có Có + VK6 Tròn nhẵn, có vòng phóng nhỏ Vàng Cầu nhỏ Không Có - VK7 xạ Không đều, hơi phẳng Vừa Trắng Que dài Có Có + VK8 tròn, bờ không đều vừa trắng sữa que dài đơn hoặc chuỗi có Có + VK9 Không đều, bờ lượn sóng Lớn Trắng Que dài Có có + VK10 VK11 Tròn, hơi lồi, bờ đều nhỏ Hơi ngà Tròn nhỏ Không có - Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Khả năng di động Hoạt tính catalase Nhuộm Gram Đặc điểm Chủng Tròn đều, bóng, có một vòng nhỏ bao quanh nhỏ Vàng cầu nhỏ, chuỗi Không có - VK18 tròn, bóng, khuẩn lạc hơi nhô nhỏ màu mỡ gà hình phẩy, hình que đơn Không có - VK19 tròn, bờ răng cưa nhỏ màu trắng que ngắn đơn hoặc Có có + VK20 nhỏ sữa chuỗi rìa sợi, có gờ tròn ở giữa nhỏ trắng oval, que ngắn to có - VK21 Tròn đều nhỏ Cam cầu đơn Không có - VK22 VK23 tròn đều, phẳng nhỏ trắng sữa cầu, que ngắn Không có - Hình thái khuẩn lạc Kích thước khuẩn lạc Màu sắc khuẩn lạc Hình thái tế bào Khả năng di động Hoạt tính catalase Nhuộm Gram Đặc điểm Chủng bờ rìa răng cưa, phẳng to trắng que đơn hoặc chuỗi Có có - VK24 tròn, bóng nhỏ trắng ngà oval hoặc que ngắn Có có - VK25 tròn, phẳng, bờ đều nhỏ trắng que đơn ngắn Có Có + VK26 tròn bóng, bờ đều, hơi nhô nhỏ hồng cam cầu đơn nhỏ Không có - VK27 tròn , hơi nhô nhỏ trắng sữa cầu, oval Có có - VK28 bờ răng cưa, kiểu to trắng que nhỏ dài Có có + VK29 phóng xạ VK30 bờ răng cưa to trắng cầu, oval Có có - 3.4.5. Hoạt tính của các loại vi khuẩn trong bùn hoạt tính Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành khảo sát các hoạt tính enzyme amylase, protease, cellulase của các chủng vi khuẩn đã phân lập được từ bông bùn hoạt tính. Trong đó có chủng sinh cả ba loại hoạt tính enzyme, có chủng không sinh hoạt tính enzyme nào và có những chủng chỉ thể hiện một hoặc hai loại hoạt tính enzyme. Điều này được thể hiện rõ trong bảng dưới đây: Bảng 3.9. Vòng phân giải enzyme của các chủng vi khuẩn Chủng vi khuẩn Amylase Protease Cellulase VK1 - - - VK2 - 17,5 mm - VK3 - 20 mm - VK4 5 mm 17 mm 5 mm VK5 - 19 mm - VK6 - - - VK7 - - - VK8 8 mm 21 mm - VK9 - - - VK10 8 mm - 13 mm VK11 - 16 mm - VK12 - - - VK13 - 22.5 mm 19 mm VK14 - - - VK15 15 mm 20 mm 19 mm VK16 - 19 mm - VK17 - 4 mm - VK18 - - - Chủng vi khuẩn Amylase Protease Cellulase VK19 11 mm 25 mm 19 mm VK20 - 25 mm - VK21 - - - VK22 - - - VK23 - - - VK24 - 17 mm 12 mm VK25 - - - VK26 3 mm 6 mm - VK27 - - - VK28 - - - VK29 14 mm 22 mm 34 mm VK30 8 mm - 10 mm Như vậy, không phải tất cả các chủng vi khuẩn đều sinh các hoạt tính enzyme, nhưng chúng cùng tồn tại trong bông bùn hỗ trợ nhau dính bám vào các hạt lơ lửng và phân hủy các hợp chất sinh học gây bẩn trong nước thải. Qua đó, ta thấy rõ vai trò làm sạch nước thải chủ yếu là của vi khuẩn. Vì vậy, để đảm bảo cho aeroten hoạt động có kết quả, cần phải đảm bảo: + pH nước thải đưa vào xử lý cần trong khoảng 6.5 – 7.5. + nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật hoạt động khoảng 25 – 350C. + lượng bùn tạo thành trong aeroten là 3.5 g/l. + đảm bảo hiếu khí trong quá trình xử lý. 3.5. Xử lý nước thải theo dòng liên tục Trong quá trình xử lý nước thải, lượng oxi hòa tan trong nước đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của vi sinh vật. Do đó, trong quá trình xử lý cần đảm bảo lượng oxi phù hợp, không thấp và cũng không quá cao đều gây ức chế các vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ trong nước. Kết quả xử lý với các chế độ thông khí khác nhau được trình bày ở bảng sau: Bảng 3.10. Ảnh hưởng của chế độ thổi khí đến kết quả xử lý Các chỉ tiêu COD (mg/l) BOD5 (mg/l) pH Cảm quan Thời gian (h) Chế độ thổi khí (v/V/min) 0 10 0 10 0 10 0 10 0.5:1:1 320 65 180 45.5 6.5 7.5 1.0:1:1 350 58 195 40.0 6.5 7.6 1.5:1:1 410 55 201 37.5 6.8 7.75 2.0:1:1 390 52.5 175 38.0 6.7 7.6 Đen và hơi thối Hết màu còn hơi hôi và ít tanh Qua bảng 3.10 chúng tôi nhận thấy chế độ thổi khí 2.0:1:1 có hiệu quả xử lý COD cao nhất, các chế độ 1.0:1:1 và 1.5:1:1 có kém hơn nhưng không nhiều. Tuy nhiên, xét về mặt kinh tế và đáp ứng với nhu cầu oxi cho vi sinh vật sống và hoạt động làm sạch chất hữu cơ thì chế độ 1.0:1:1 là phù hợp nhất. Sau khi xử lý nước thải theo mẻ đạt được nồng độ bùn 3.45 g/l, chế độ thổi khí thích hợp cùng với xử lý các số liệu phù hợp với sinh lý của vi sinh vật trong bùn hoạt tính, chúng tôi tiến hành xử lý nước thải theo dòng liên tục. Chúng tôi tiến hành 3 thí nghiệm, mỗi lần thí nghiệm cho chạy liên tục 50 l nước thải với các tốc độ dòng lần lượt là 5l/h, 10l/h, 15l/h. Kết quả của 3 thí nghiệm này được thể hiện ở bảng: Bảng 3.11. Kết quả xử lí theo dòng bán liên tục Kết quả xử lí theo thời gian (h) Chỉ tiêu Tốc độ dòng 0 10 20 5l/h 454.5 60 45 10l/h 481.4 68.5 46 COD (mg/l) 15l/h 467.8 95 75 5l/h 252.5 42 35 10l/h 240 48 37.5 BOD5(mg/l) 15l/h 212.6 75 65 5l/h 36 48 66.4 10l/h 38.4 48 72 SVI (mg/l) 15l/h 32 44.8 68 5l/h đen thối vàng, tanh sáng màu, không mùi 10l/h đen thối vàng, tanh hơi vàng, hơi tanh Cảm quan 15l/h đen thối vàng, tanh hơi vàng, hơi tanh BIỂU ĐỒ KẾT QUẢ XỬ LÝ COD 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 C O D (m g/ l) 5l/h 10l/h 15l/h Ta thấy, với các tốc độ dòng chảy khác nhau tốc độ xử lý COD cũng khác nhau. Tuy nhiên, ở tốc độ dòng 5l/h thì hiệu quả xử lí COD là tốt nhất. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả khi xử lý theo mẻ, ở mẻ 4 lượng bùn tạo thành là 3.45 g/l thì hiệu quả xử lý đạt nước thải loại B trong khoảng 10 – 12h. 3.6. Xác định hàm lượng NH+4 và NO-3 Trong quá trình xử lí ở bể aeroten, sau khi xảy ra sự phân hủy các hợp chất hữu cơ thành các chất vô cơ hòa tan, sẽ xảy ra các quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa. Chứng tỏ trong aeroten còn có sự tham gia của các vi khuẩn nitrat hóa và phản nitrat hóa hoạt động. Chúng tôi tiến hành thí nghiệm và thu được kết quả như sau: Bảng 3.12. Nghiên cứu thăm dò sự chuyển hóa NH3 và NO3- với bùn hoạt tính trong quá trình xử lý Thời điểm xác định NH+4(mgN/l) NO-3(mgN/l) Trước khi lắc 55.4 0.045 Sau khi lắc 46.7 0.068 Sau khi lắc để yên 2 h - 0.033 Dựa vào bảng trên, chúng tôi nhận thấy sau khi tiến hành thí nghiệm hiếu khí, hàm lượng NH4+ giảm đi và hàm lượng NO3- tăng lên, chứng tỏ NH3 đã được nitrat hóa. Sau khi lắc để yên 2h, lượng NO3- giảm đi, chứng tỏ quá trình phản nitrat hóa đang xảy ra. Vì điều kiện thí nghiệm còn thiếu thốn nên chúng tôi chưa nghiên cứu được các nhóm vi khuẩn nitrat hóa và phản nitrat hóa. Như vậy có thể thấy công trình aeroten có khả năng áp dụng để xử lý ô nhiễm các chất hữu cơ, xử lý NH3, NO3- với chế độ làm việc thích hợp. KẾT LUẬN - Đánh giá được chất lượng nước thải sinh hoạt cống Nguyễn Biểu , quận 5, Tp.HCM thông qua việc phân tích các chỉ tiêu COD, BOD, SS, TS. Các chỉ tiêu này đều vượt quá tiêu chuẩn nước thải loại B từ 3 - 5 lần. - Xác định được lượng bùn hoạt tính tối ưu 3,45 g/l bổ sung vào các mẻ xử lí cho hiệu quả cao trong aeroten. - Đã xác định được các hoạt tính enzyme amylase, protease, cellulase của bùn hoạt tính cho thấy bông bùn có đủ khả năng xử lí các chất dinh dưỡng hữu cơ thường gặp trong nước thải sinh hoạt. - Phân lập được 30 chủng vi khuẩn từ bông bùn hoạt tính, nghiên cứu các đặc điểm hình thái tế bào, khuẩn lạc của các chủng này. Đã xác định được 16 chủng có khả năng sinh enzyme protease, 6 chủng có khả năng sinh enzyme amylase, 10 chủng có khả năng sinh enzyme cellulase. Các chủng vi khuẩn này có tác dụng làm sạch các chất hữu cơ bị ô nhiễm trong nước, ngoài ra còn có thể chuyển hóa NH3 thành NO3- và từ NO3- thành N2 bay ra không khí. - Xác định được chế độ thổi khí phù hợp là 1.0:1:1. - Xác định được tốc độ dòng xử lí tốt nhất trong aeroten là 20l/h. KIẾN NGHỊ - Đề tài chỉ mới dừng lại ở việc khảo sát, xử lí các chất dinh dưỡng hữu cơ trong nước thải, nếu thời gian cho phép đề tài sẽ tiếp tục khảo sát thêm các thành phần kim loại nặng và các độc chất khác. - Đề tài chỉ mới nêu ra được các đặc điểm hình thái của một số chủng vi khuẩn nhưng chưa định danh các chủng này, đề nghị nếu các đề tài sau có liên quan có thể xem xét định danh các chủng vi khuẩn có trong bùn hoạt tính. - Đề tài đã xác định được các hoạt tính enzyme của các chủng vi khuẩn phân lập được, trong đó chủng VK29 sinh cả ba hoạt tính enzyme rất mạnh, có thể xem xét nghiên cứu sâu hơn về mặt sinh học và ứng dụng trong xử lí môi trường đối với chủng này. - Đề tài này có thể làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải đô thị để xây dung các trạm xử lý thích hợp với điều kiện của thành phố cũng như nước ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO