Một số phương pháp xử lý nước thải trong ngàng công nghiệp thủy sản

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG NGÀNG CÔNG NGHIỆP THỦY SẢN 3.1 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CƠ HỌC Mục đích của phương pháp xử lý cơ học là tách các chất không hòa tan và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. 3.1.1 Thiết bị tách rác Thiết bị tách rác thô: Nhằm giữ lại các vật rắn thô như: rơm cỏ, gỗ mẫu, bao bì chất dẻo, giấy, giẻ…. Các thiết bị tách rác thô thường là song chắn rác hoặc lưới chắn rác. Thiết bị lọc rác tinh:Thiết bị lọc rác tinh thường đặt sau thiết bị tách rác thô, có chức năng loại bỏ các tạp chất rắn có kích cở nhỏ hơn, mịn hơn. Thiết bị lọc rác tinh thường có dạng hình trống. 3.1.2 Bể lắng Bể lắng là các loại bể, hố, giếng cho nước thải chảy vào theo nhiều cách khác nhau: theo tiếp tuyến, theo dòng ngang, theo dòng từ trên xuống và tỏa ra xung quanh. Nước qua bể lắng dưới tác dụng của trọng lực của hạt cặn sẽ lắng xuống đáy và kéo theo một số tạp chất khác. Bể lắng thường được chia thành bể lắng cát và bể lắng bùn, cặn. Các loại bể lắng cát thông dụng là bể lắng cát ngang, hố lắng cát đứng và bể lắng cát tiếp tuyến. Bể lắng bùn, cặn thường là bể lắng ngang hoặc bể lắng đứng. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng bao gồm: khối lượng riêng và tải trọng tính theo chất rắn lơ lửng, tải trọng thủy lực, sự keo tụ các chất rắn, vận tốc dòng chảy trong bể, sự nén bùn đặc, nhiệt độ nước dòng thải và kích thước bể lắng,… 3.1.3 Bể tách dầu mỡ Nước thải của một xí nghiệp ăn uống, chế biến bơ sữa, các lò mổ, xí nghiệp ép dầu thường có lẫn dầu mỡ. Các chất này thường nhẹ hơn nước nổi lên trên mặt nước, một phần tan trong nước dưới dạng nhũ tương. Nước thải sau xử lý không có lẫn dầu mỡ mới được phép thải vào nguồn tiếp nhận. Hơn nữa, nước thải có lẫn dầu mỡ khi đưa vào hệ thống xử lý sinh học sẽ làm bít các lỗ ở vật liệu lọc, ở màng lọc sinh học và còn làm hỏng cấu trúc bùn hoạt tính trong bể Aeroten. 3.1.4 Bể lọc cơ học Được dùng trong quy trình xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước thải mà bể lắng không lắng được. Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm hoặc hạt. Vật liệu dạng tấm có thể làm bằng thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không rĩ, nhôm, niken, đồng thau, các loại vải khác nhau (thủy tinh, bông, len, sợi tổng hợp…). Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị nở và bị phá hủy bởi điều kiện lọc. Vật liệu lọc dạng hạt là cát thạch anh, than antracit, than cốc, sỏi, đá nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn hay than gỗ. Đặc tính quan trọng của lớp hạt lọc là độ xốp và độ bền. Quá trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất cao trước vật liệu lọc hoặc chân không sau lớp lọc. Các phin lọc làm việc sẽ tách các phần tử tạp chất phân tán hoặc lơ lửng khó lắng khỏi nước. Các phin lọc làm việc không hoàn toàn dựa vào nguyên lý cơ học. Khi nước qua lớp lọc, dù ít hay nhiều cũng tạo ra lớp màng trên bề mặt các hạt vật liệu lọc. Màng này là màng sinh học. Do vậy, ngoài tác dụng tách các phần tử tạp chất phân tán ra khỏi nước, các màng sinh học cũng biến đổi các chất hòa tan trong nước thải nhờ quần thể vi sinh vật có trong màng sinh học. Chất bẩn và màng sinh học sẽ bám vào bề mặt vật liệu lọc dần dần làm bít các khe hở của lớp lọc làm cho dòng chảy bị chậm lại hoặc ngừng chảy. Trong quá trình làm việc, người ta phải rửa phin lọc, lấy bớt màng bẩn phía trên và cho nước rửa đi từ dưới lên trên để tách màng bẩn ra khỏi vật liệu lọc. Trong xử lý nước thải, thường dùng thiết bị lọc chậm, lọc nhanh, lọc kín, lọc hở. Ngoài ra còn dùng loại lọc ép khung bản, lọc quay chân không, các máy vi lọc hiện đại. Đặc biệt là đã cải tiến các thiết bị lọc trước đây thuần túy là lọc cơ học thành lọc sinh học, trong đó vai trò của màng sinh học được phát huy nhiều hơn. 3.2 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÓA HỌC Cơ sở của phương pháp xử lý hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình lý hóa diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất cho thêm vào. Các phương pháp hóa học là oxy hóa, trung hòa, đông keo tụ. Thông thường các quá trình keo tụ thường đi kèm theo quá trình trung hòa hoặc các hiện tượng vật lý khác. Những phản ứng xảy ra là phản ứng trung hòa, phản ứng oxy hóa khử, phản ứng tạo chất kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các chất độc hại. 3.2.1 Trung hòa Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau. Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học, phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về giá trị thích hợp (pH = 6.5 – 8.5). Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm để trung hòa nước thải. Các chất hóa học thường dùng để điều chỉnh pH được trình bày trong bảng 3. Bảng 3: Các hóa chất thường dùng để điều chỉnh pH Tên hóa chất Công thức hóa học Lượng* Canxi cacbonat CaCO3 1 Canxi oxit CaO 0.56 Canxi hidroxit Ca(OH)2 0.74 Magie oxit MgO 0.403 Magie hidroxit Mg(OH)2 0.583 Vôi sống dolomit {CaO0.6MgO0.4} 0.497 Vôi tôi dolômit {(Ca(OH)2)0.6(Mg(OH)2)0.4} 0.677 Natri hidroxit NaOH 0.799 Natri cacbonat NaCO3 1.059 Axit sulfuric H2SO4 0.980 Axit clohydric HCL 0.720 Axit nitric HNO3 0.630 * lượng chất 1mg/l để trung hòa 1mg/l axit hoặc kiềm tính theo mgCaCO3/l 3.2.2 Keo tụ Quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn hơn 10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể làm tăng kích cỡ của chúng nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, để liên kết chúng lại với nhau. Quá trình trung hòa điện tích các hạt được gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ. Các hạt lơ lửng trong nước đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt có nguồn gốc từ silic và các hợp chất hữu cơ mang điện tích âm, các hạt hidroxit sắt và hidroxit nhôm mang điện tích dương. Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện tích này sẽ liên kết lại với nhau thành các tổ hợp các phần tử, nguyên tử hay các ion tự do. Các tổ hợp này chính là các hạt bông keo. Có hai loại bông keo: loại kị nước và loại ưa nước. Loại ưa nước thường ngậm thêm các phân tử nước cùng vi khuẩn, vi rút. Loại keo kị nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nước nói chung và trong xử lý nước thải nói riêng. Các chất đông tụ thường dùng trong mục đích này là các muối sắt, muối nhôm hoặc hỗn hợp của chúng. Các muối sắt có ưu điểm hơn so với các muối nhôm trong việc làm đông tụ các chất lơ lửng của nước vì: Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp Khoảng pH tác dụng rộng hơn Tạo kích thước và độ bền bông keo lớn hơn Có thể khử được mùi khi có H2S. Nhưng muối sắt cũng có nhược điểm: chúng tạo thành phức hòa tan làm cho nước có màu. Những chất kết lắng thành bùn và trong bùn có chứa nhiều hợp chất khó tan. Việc sử dụng làm phân bón cần phải xem xét, cân nhắc, vì bùn này có thể làm cho cây trồng khó tiêu hóa. 3.2.3 Hấp phụ Phương pháp hấp phụ được dùng để loại hết các chất bẩn hòa tan trong nước mà các phương pháp xử lý sinh học hoặc các phương pháp xử lý khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ. Thông thường đây là các loại các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi rất khó chịu. Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, một số chất hỗn hợp hoặc các chất thải trong sản xuất. Trong số này, than đá được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai loại: dạng bột và dạng hạt đều được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ. Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có thể hấp phụ được 58 – 96% các chất hữu cơ và màu. 3.2.4 Tuyển nổi Tuyển nổi là quá trình hóa lý phức tạp. Trong đó các phần tử có bề mặt kị nước sẽ có khả năng kết dính vào bọt khí. Khi các bọt khí và các phần tử phân tán cùng chuyển động trong nước, các phân tử này sẽ bám trên bề mặt các bọt khí và nổi lên. Những phân tử nào không có khả năng kết dính với bọt khí thì chúng sẽ ở lại trong nước. Cơ sở của quá trình tuyển nổi: Thực chất của quá trình tuyển nổi là kết dính các phân tử chất bẩn với bề mặt phân chia giữa khí và nước. Trong nước, các phân tử chất bẩn chỉ dính bám vào bề mặt bọt khí khi chúng không hoặc kém bị tẩm ước đối với nước. Khả năng tẩm ước của một số chất lỏng tùy thuộc vào độ phân cực của chúng. Những chất kỵ nước là những chất có cấu tạo phân tử theo kiểu không phân cực và do đó không có khả năng hydrat hóa. Chúng có độ ẩm nhỏ nhất và do đó sẽ dễ tuyển nổi nhất. Những chất có cấu tạo phân tử kiểu dị cực (một đầu phân cực và một đầu không phân cực) thì phía nhóm phân cực có khả năng bị hydrat hóa, còn phía các nhóm hydrocacbon kỵ nước sẽ dính vào bọt khí. Các kỹ thuật tuyển nổi: Tuyển nổi với tách bọt khí từ dung dịch: trạm tuyển nổi chân không, tuyển nổi áp lực, có áp lực và bơm hỗn hợp khí nước. Phương pháp tuyển nổi phân tán không khí bằng cơ giới kiểu hướng trục. Tuyển nổi với không khí nén qua tấm xốp, ống có lỗ. Tuyển nổi điện, tuyển nổi hóa học và sinh học. 3.2.5 Trao đổi ion Thực chất phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của nhựa trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ion. Chúng hoàn toàn không tan trong nước. Phương pháp này dùng để làm sạch nước nói chung trong đó có nước thải, loại ra khỏi nước các ion kim loại như: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Mn… cũng như các hợp chất chứa asen, phosphor, xianua và các chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại ion Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước cứng. Các chất trao đổi ion là hợp chất hữu cơ tổng hợp rất phong phú, chúng là các cao phân tử, có bề mặt riêng lớn, các gốc hidro của chúng tạo thành lưới không gian với các nhóm chức trao đổi ion cố định. Các loại nhựa tổng hợp cũng có tính chất trao đổi ion. 3.2.6 Khử trùng Dùng các hóa chất có độc tính đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun, sán… để làm sạch nước. 3.3 Phương pháp xử lý sinh học 3.3.1 Phương pháp hiếu khí Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kỵ khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn vận tốc hòa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần có trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần. Trong hoạt động sống của vi sinh vật, thực vật phù du và động vật nguyên sinh… sẽ làm tiêu hao chất dinh dưỡng, chất khoáng và kể cả kim loại độc hại. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hồ sinh học dựa trên quan hệ cộâng sinh của vi sinh vật. Trong hồ sinh học được chia làm 3 phần: phần hiếu khí là phần tiếp giáp với mặt thoáng xuống sâu vài chục centimet, phần tiếp theo là phần kỵ khí tùy nghi và phần cuối cùng là khu vực kỵ khí. Ở phần hiếu khí, oxy luôn có khuynh hướng khuếch tán vào nước, dưới tác dụng của gió góp phần làm tăng khả năng hòa trộn oxy vào nước. Ở vùng này vào ban ngày, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tảo và các vi sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 và các chất vô cơ khác tổng hợp vật chất cho tế bào phục vụ cho quá trình sinh trưởng, đồng thời thải oxy vào nước. Các sinh vật hiếu khí đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí, chúng sẽ sử dụng oxy này để phân giải chất hữu cơ có trong nước. Ở vùng này các sinh vật nitrat hóa sẽ oxy hóa hợp chất amôn thành nitrit rồi thành nitrat trong điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật Pseudomonas Denitritficans, Bacillus licheniformis, Thiobaccillus denitritfocans sẽ khử nitrat thành N2 và thải vào không khí. Điều kiện chung cho vi khuẩn nitrat hóa là pH = 5,5 - 9 nhưng tốt nhất là 7,5. Khi pH < 7 thì vi khuẩn phát triển chậm, oxy hòa tan cần là 0,5mg/l, nhiệt độ phát triển từ 5 - 400C. Các hoạt động của vi sinh vật hiếu khí thải ra môi trường CO2, nguồn CO2 cung cấp cho hoạt động của tảo và thực vật phù du khác phát triển. Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 - 400C, tối ưu là 25 - 300C. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Oxy hóa chất hữu cơ CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Giai đoạn 3: Oxy hóa chất liệu tế bào C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH2 ± ∆H 3.3.2 Phương pháp kỵ khí Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện không có oxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kỵ khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí là axit hữu cơ, các ancol cuối cùng là NH3, H2S và chủ yếu là CH4, vì vậy mà quá trình này còn gọi là quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan hay lên men mêtan. Quá trình phân hủy kị khí gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản, protein bị thủy phân thành albomoz, pepton, peptic, axit amin, chất béo thủy phân thành glyxerin và axit béo. Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thủy phân này tiếp tục phân hủy tạo thành khí CO2, CH4 ngoài ra còn có một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Các hydratcacbon bị phân hủy sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành CO2, CH4. Các hợp chất hữu cơ hòa tan bị phân hủy gần như hoàn toàn (axit béo tự do hầu như phân hủy gần 80-90%, axit béo loại este phân hủy gần 65-68%). Riêng hợp chất chứa lignin là chất khó phân hủy nhất, chúng là nguồn tạo ra mùn. Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kị khí, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CH4 chiếm 60 -75%. Quá trình lên men mêtan gồm 2 pha điển hình: pha axit và pha kiềm. Ở pha axit, hydratcacbon (xenlulozơ, tinh bột, các loại đường…) dễ bị phân hủy tạo thành axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axetic…). Một phần chất béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường có thể thấp hơn 5 và xuất hiện mùi hôi. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục phân hủy thành những hợp chất amôn, amin, muối của axit cacbonic và tạo thành một số khí như CO2, N2, CH4, H2, H2S, indol, mecaptan gây mùi khó chịu, lúc này pH của môi trường bắt đầu tăng chuyển sang trung tính và sang kiềm. Ở pha kiềm, đây là pha tạo thành khí CH4. Các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho quá trình lên men mêtan và tạo thành CH4, CO2. pH của pha này chuyển hoàn toàn sang môi trường kiềm. Quá trình thủy phân các chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí là quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều vi sinh vật kị khí. Nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí là 10 -150C, 20 - 400C và trên 400C. thời gian lên men kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, nếu ở nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài hàng tháng. 3.4 Các quá trình sinh học chủ yếu dùng trong xử lý nước thải 3.4.1 Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải sẽ bắt đầu sinh trưởng và phát triển. Trong nước thải bao giờ cũng có những hạt chất rắn lơ lửng khó lắng, các chất này sẽ là nơi dính bám của vi khuẩn và phát triển thành những bông cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ trong nước. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo thì chúng sẽ lơ lửng trong nước và lớn lên dần do quá trình hấp thụ nhiều chất lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật, chất độc có trong nước. Khi ngừng thổi khí hay nguồn chất dinh dưỡng trong nước cạn kiệt thì những bông cặn này sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn, bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại tạo thành bông với nhân trung tâm là chất lơ lửng có trong nước. Bông này có màu nâu kích thước từ 2 -150mm. Bông này gồm có vi sinh vật sống và cặn (chiếm khoảng 20 - 40% thành phần cấu tạo bông, nếu trong môi trường hiếu khí và khuấy trộn đều thi hàm lượng cặn chỉ còn 20%). Vi sinh vật ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh… Các chất keo dinh trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, chất màu, mùi trong nước thải làm cho hạt bùn lớn dần và đồng thời lượng bùn cũng tăng dần rồi từ từ lắng xuống đáy (bùn hoạt tính khi lắng xuống tạo thành bùn già và hoạt tính trở nên giảm, tuy nhiên nếu được hoạt hóa trong môi trường thích hợp thì chúng có thể khôi phục trở lại). Kết quả nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn, nước thải được làm sạch. Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông của bùn. Bông tạo ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần. Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảm dần năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫn nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kết dính tế bào vi khuẩn với nhau. Trong bùn hoạt tính ta còn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh loài và quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh. Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hòa tan trong nươc, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH, chất dinh dưỡng trong nước. Khi cân bằng dinh dưỡng ta có thể sử dụng Urê, NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phothat, supephotphat làm nguồn cung cấp P. Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ N trong muối amôn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l. Nếu 500 < BOD <1000 mg/l thì chọn thông số tương ứng là 25 và 8mg/l. Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vật hấp thụ và đồng hóa. Nguồn N (dạng NH4+) và P (dạng photphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất cho vi sinh vật. Ngoài ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng như nguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Nếu thiếu N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hóa – khử trong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật không sinh sản, không tăng sinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hóa làm bùn khó lắng. Thiếu P làm xuất hiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hóa chất hữu cơ của bùn hoạt tính giảm. Các vi sinh vật trong bùn chủ yếu là 4 lớp protozoa: Sacrodina, Mastgophora, Ciliata, Suctoria hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sacrodina. 3.4.2 Sinh trưởng bám dính – màng sinh học Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính bám trên bề mặt giá đỡ. Trong số các vi sinh vật, có một số sinh vật có khả năng tạo ra polysacrit, chất này có tính dẻo hay còn gọi là polyme sinh học, chất này tạo thành màng sinh học. Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ. Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ có trong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngoài ra màng còn có tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán… Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa chất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng. Màng này thường dày từ 1 – 2mm và có thể dày hơn nữa. Màu của màng có thể thay đổi, tùy theo thành phần của nước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong qui trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kích thước từ 15 – 20 mm có màu vàng xám hay màu nâu. Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát hay sỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ. Chiều dày của lớp cát thường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ … giữa chúng sẽ tạo thành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất về thành phần loài và số lượng sinh vật. Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước, các chất hữu cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời số lượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh. Chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được phân giải sau với tốc độ chậm hơn. Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều loài vi sinh vật, ngoài vi sinh vật hiếu khí còn có vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Ở lớp ngoài cùng màng là lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus. Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và khử nitrat. Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự có mặt của nguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu làm chất màng. Quần thể vi sinh vật của màng có tác dụng như bùn hoạt tính. Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới cùng là ít nhất. Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của quá trình biến đổi kị khí là alcol, axit hữu cơ…. Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật khác hấp thụ vì vậy mà không ảnh hưởng lớn đến màng lọc. Với đặc điểm như vậy mà màng lọc có thể oxy hóa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nước qua màng lọc chậm dần từ đó phin lọc làm việc có hiệu quả hơn. Nếu lớp màng quá dày thì ta có thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiên hiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khôi phục trở lại. Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn. Hiệu quả của phin lọc có thể giữ đuợc 99% vi khuẩn. 3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến đời sống của vi sinh vật trong nước thải Một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến vi sinh vật trong nước thải đó là chất độc, đặc biệt là kim loại nặng. Các kim loại được xếp theo mức độ ảnh hưởng như sau: Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb, Cr, Zn, Fe. Các kim loại này có nồng độ từ vài phần triệu ppm đến vài phần nghìn ppm thì tác dụng đến sinh trưởng của vi sinh vật. Các kim loại này khi xâm nhập vào tế bào của vi khuẩn, chúng có thể bị giữ lại trong tế bào và phá hủy hệ thống ezim trong tế bào vi sinh vật từ đó làm ảnh hưởng đến tính thẩm thấm của tế bào. Các anion như: xianua, florua, asenat, cromat, bicacbonat đều có các ảnh hưởng tương tự. Các halogen và một số hợp chất hữu cơ khác cũng tham gia vào quá trình phân hủy protein hay thủy phân các thành phần khác của tế bào. Nồng độ muối vô cơ ảnh hưởng đến khả năng hình thành bùn, khi nồng độ muối clorit tăng lên 20g/l sẽ làm giảm chất luợng làm sạch nước thải. Hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải >= 2mg/l. Nhiệt độ tùy thuộc vào từng loại vi khuẩn: + Vi khuẩn chịu nhiệt: 50 – 600C + Vi khuẩn không chịu nhiệt: 25 – 270C + Vi khuẩn thích nghi ở nhiệt độ thấp: 10 – 150C + Nhiệt độ tối ưu cho vi khuẩn phát triển không thấp hơn 25 – 270C. Các nguyên tố dinh dưỡng + Nguyên tố vi lượng: Mg: 10.10-5mg/mgBOD Cu: 14,6.10-5mg/mgBOD Zn: 16.10-5mg/mgBOD Mb: 42.10-5mg/mgBOD Ca: 620.10-5mg/mgBOD Na: 5.10-5mg/mgBOD K: 450.10-5mg/mgBOD Fe: 1200.10-5mg/mgBOD CO2-2: 270.10-5mg/mgBOD + Nguyên tố đa lượng cung cấp đầy đủ sao cho: BOD : N : P = 100 : 5 : 1 COD : N : P = 150 : 5 : 1 pH cao quá hay thấp quá sẽ ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật, nếu pH 9 sẽ phá hủy trạng thái cân bằng của nguyên sinh chất, dẫn đến sự diệt vong của tế bào vi sinh vật. Do đó pH tối ưu là 6,5– 8,5. 3.6 Một số ứng dụng thực tiễn trong CNXL nước thải thủy sản 3.6.1 Kỵ khí 3.6.1.1 Hệ thống phân hủy kỵ khí Sơ đồ điển hình của một hệ thống kỵ khí. Hình 1 . Sơ đồ hệ thống phân hủy kỵ khí Sơ đồ giống như trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính chỉ trừ một điểm là phân hủy kỵ khí diễn ra do không có oxy. Cần phải làm bể phân hủy thật kín vì oxy sẽ giết chết một số loại vi khuẩn kỵ khí và không khí có thể dễ dàng làm gián đoạn quá trình xử lý. Từ bể phân hủy kỵ khí nước thải sẽ chảy đến bộ phận khử khí và sau đó tới bể lắng. Từ bể lắng, nước thải sẽ được thải đi còn chất rắn sẽ quay trở lại. Cần phải quay vòng vì quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn rất nhiều so với quá trình hiếu khí, nên cần nhiều thời gian và sinh khối hơn để đạt hiệu quả khử tạp chất cao. Các quá trình kỵ khí ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản đạt hiệu quả khử tạp chất cao. Các quá trình kỵ khí ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản đạt hiệu quả cao khoảng 75-80% và đạt 3-4kg COD/m3.ngày ở bể tự hoại. Một kiểu xử lý khác là bể xử lý có đầy vật liệu đỡ ở trong và nước thải lưu chuyển trong đó. Vi khuẩn phân hủy kỵ khí bám vào bề mặt vật liệu đỡ này. Khí tạo ra từ hệ thống ổn định và hoạt động tốt chứa 60-70% mêtan, còn lại hầu hết là điôxít cacbon, một lượng nhỏ nitơ và hyđro. Quá trình kỵ khí cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy trong một vài trường hợp phải làm nóng để phân hủy tới 30-350C. Trong hầu hết các trường hợp có thể dùng một phần khí mêtan sinh ra từ bể phân hủy để làm nóng bể. 3.6.1.2 Bể phân hủy 2 ngăn Bể phân hủy hai ngăn là hệ thống tương đối đơn giản lúc đầu dùng thay cho bể phân hủy được hâm nóng. Cấu tạo thiết bị gồm một bể hình chữ nhật có hai ngăn, một phần được đặt chìm dưới đất. Hình 2: Mặt cắt của bể phân hủy 2 ngăn Nước thải chảy vào ngăn trên là ngăn giữ vai trò bể lắng, ngăn dưới có nhiệm vụ ổn định các chất rắn lắng động bằng phương pháp kỵ khí. Dùng tấm dưới dòng ở cửa vào và nhiều lỗ xả nước ra để tránh nước thải chảy tắt qua bể. Ngăn dưới thường không được làm nóng. Nói chung bùn đã ổn định được hút đi từ đáy 1 năm 2 lần để có nhiều thời gian cho bùn ổn định (mặc dù đôi lúc người ta hút bùn ra khi có chỗ đổ thuận tiện). Trong một số trường hợp, các bể này được thiết kế với cửa vào và cửa ra ở cả hai đầu, địng kỳ đổi dòng chảy của nước thải sao cho bùn tích tụ đều dưới đáy. Mặc dù hệ thống này đơn giản nhưng vẫn có những điểm bất tiện: bọt khí, mùi và nổi váng. Những hiện tượng này thường xảy ra khi nhiệt độ hạ xuống dưới 150C, các vi khuẩn sản sinh axit dễ bay hơi chiếm ưu thế, hàm lượng mêtan tạo ra giảm làm mất cân bằng quá trình. Vì thế trong một số trường hợp khi trời lạnh phải dùng que đun nước gắn trong bể. Hiện tượng nổi váng là do khí phát sinh từ quá trình phân hủy kỵ khí bị chất rắn bao phủ không thể thoát ra ngoài làm cho chúng nổi lên. Khắc phục hiện tượng này bằng cách tăng độ sâu của ngăn dưới. Ở độ sâu thấp hơn, giãn nở mạnh hơn khi nổi lên và có khả năng thoát khỏi chất rắn hơn. Có rất nhiều mùi nếu hai công đoạn của quá trình (tạo axit và tạo khí) được cân bằng. 3.6.2 Hiếu khí. 3.6.2.1 Hồ sục khí Hồ sục khí là ao đào và hoạt động không có quá trình lưu chuyển tạp chất rắn trong hệ thống, đây là điểm khác cơ bản so với hệ thống bùn hoạt tính. Có 2 loại hồ phổ biến: hổ pha trộn toàn bộ (lơ lửng hoàn toàn) trong đó nồng độ tạp chất rắn và oxy hòa tan khá đồng đều, cả chất rắn và khối vi sinh vật đều không lắng; hồ trộn phức hợp (hiếu khí-kỵ khí còn gọi là lơ lửng một phần). Trong hồ phức hợp, công suất của các máy khuấy thấp làm chất rắn tích tụ ở dưới đáy và sẽ bị phân hủy kỵ khí, trong khi phần chất rắn lơ lửng phía trên được phân hủy hiếu khí. Công suất điện của các máy khuấy dùng trong hai hồ này khác nhau, hồ hiếu khí 2,5-6 W/m3 ; hồ trộn phức hợp 0,8-1W/m3. Vì ở ngoài trời nên về mùa đông nhiệt độ ngoài trời xuống thấp làm cho mật độ vi sinh hoạt động yếu, thập chí bị đóng băng. Tuy nhiên cũng có thể khắc phục một phần nhược điểm này bằng cách đào hồ sâu. Các hồ sâu này cần có nơi phân lắng thứ cấp, có thể ở dạng ao nông hoặc bể lắng thông thường. Nếu sử dụng bể lắng đào dưới đất, cần có đủ thời gian để chất rắn lắng và cũng phải có đủ điều kiện để tích tụ bùn. Có nhiều khả năng sẽ gây mùi khó chịu do bùn lắng phân hủy và tảo có thể phát triển lên bề mặt làm cho hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải tăng. Có thể xử lý mùi bằng cách đào sâu bể tối thiểu là 2m, lưu giữ chất lỏng không quá 12 ngày để hạn chế sự phát triển của tảo. Trong hệ thống hồ phức hợp, chất rắn tích tụ dọc theo thành và ở các góc bể hiếu khí, còn trong hồ pha thộn toàn bộ, các chất này tập trung giữa các thiết bị sục khí. Tạp chất rắn tích tụ sẽ phân hủy ở dưới đáy nhưng do một phần không có khả năng phân hủy sinh học nên luôn hình thành cặn, vì vậy cần định kỳ loại bỏ lượng chất rắn tích tụ này. Hình 3: Cấu tạo hồ hiếu khí (trên) và hồ phức tạp (dưới) 3.6.2.2 Tổ hợp đĩa quay sinh học Tổ hợp đĩa quay sinh học ( RBC) là một dạng khác của quá trình sinh trưởng liên kết, trong đó sinh khối bám vào đĩa (đường kính 3,5m) quay với vận tốc 1-3 vòng /phút khi ngập chìm tới 40% trong nước. Các đĩa được làm từ vật liệu dẻo, nhẹ, có thể gập lại được. Hình 4: Sơ đồ tổ hợp đĩa quay sinh học. Khi tiếp xúc với không khí, sinh khối liên liên kết hấp thụ không khí; khi ngập trong nước, chúng hấp thụ chất hữu cơ. Một sinh khối có kích thước 1-4mm phát triển trên bề mặt phần thừa bị tách khỏi đĩa bằng lực cắt và tách khỏi chất lỏng ở trạng thái lơ lửng cũng có chút ít khả năng khử tạp chất hữu cơ. Tốc độ quay trên 3 vòng/phút hiếm khi được áp dụng do tốn năng lượng và không làm tăng quá trình trao đổi oxy. Tỉ lệ giữa bề mặt đĩa và lượng chất lỏng thường là 5.1/m2. Đối với nước thải ô nhiễm nặng, sử dụng nhiều hệ thống đĩa quay (xử lý nhiều lần). Ở nhiệt độ môi trường thấp phải dùng hộp bảo vệ đĩa. Các hệ thống này hoạt động bình thường khi không có lưu chuyển nước thải. Điện năng tiêu thụ khoảng 2kW/1000m3/ngày. RBC được dùng để nâng cấp các hệ thống dùng bùn hoạt tính, thay thế đĩa dùng trong các bể sục khí. 3.6.2.3 Phin lọc nhỏ giọt Phin lọc nhỏ giọt là một trong các quá trình sinh trưởng liên kết phổ biến nhất. Trong hệ thống này, sinh khối không lơ lửng như trong quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính hoặc hồ sục khí mà hầu hết các vi sinh vật đều liên kết với vật liệu đỡ để phát triển. Hình 5: Mặt cắt của màng sinh khối sinh trưởng liên kết. Vi sinh vật bám trên thành hấp thụ các chất hữu cơ trong nước thải từ màng nước xung quanh và phân hủy chúng. Oxy từ không khí khuếch tán qua màng nước và xâm nhập vào sinh khối. Vì vật thể hữu cơ tăng trưởng lớp sinh khối dày hơn và lớp bên trong của sinh khối không đủ oxy cũng như chất dinh dưỡng sẽ tách khỏi vật liệu đỡ, trên vật liệu đỡ một lớp mới bắt đầu phát triển. Thường vi sinh vật tách ra ở dạng một cục lớn và lắng đọng tương đối nhanh so với các sinh khối lơ lửng. Không khí lưu chuyển giữa các khe của vật liệu đỡ. Có thể dùng đá sỏi xếp tuỳ tiện để làm vật liệu đỡ ( kích thước từ 5-10cm ). Các cấu kiện làm từ nhựa dẻo gần đây trở nên thông dụng hơn do trọng lượng nhẹ, phân phối dòng chảy đều hơn, khoảng trống và diện tích tiếp xúc riêng lớn hơn. Hình 6: Vật liệu đỡ điển hình của phin lọc nhỏ giọt Phin lọc nhỏ giọt là bể lưu chuyển xếp đầy các vật liệu đỡ sâu từ 1-2,5m hoặc 10m hếu dùng vật liệu đỡ tổng hợp. Đáy bể phải đủ khỏe để chịu được vật liệu đỡ và được thiết kế để thu nhận nước thải đã xử lý. Nước thải sau xử lý hoặc được phun bằng các vòi phun đặt cách đều nhau hoặc phổ biến hơn là bằng tay đòn phân phối quay. Nước thải thấm qua lớp vật liệu đỡ, hấp thụ tạp chất hữu cơ và phân hủy sinh khối trong khi nước chảy xuống đáy và được thu gom đi. Hình 7: Phác họa phin lọc nhỏ giọt Đối với vật liệu đỡ trên đó có sinh khối phát triển, tỉ lệ khoảng trống và diện tích bề mặt là các đặc tính quan trọng; thông số thứ nhất cần để đảm bảo không khí lưu chuyển tốt, thông số thứ hai cần để tạo điều kiện cho sinh khối bám vào càng nhiều càng tốt để phân hủy các chất hủy cơ trong nước thải. Mặc dù chi phí ban đầu cao hơn nhưng vật liệu đỡ tổng hợp nhẹ có nhiều khoảng trống và diện tích bề mặt lớn hơn. Thông thường, không khí lưu chuyển tự nhiên, nhung đối với nước thải ô nhiễm nặng phải sử dụng phương pháp thông gió cưỡng bức có hoặc không tuần hoàn nước thải sau bể lắng. Sự cần thiết phải tuần hoàn phụ thuộc vào mức độ bẩn của nước thải và lượng oxy đến sinh khối. Phải thực hiện tuần hoàn khi BOD5 của nước thải cần xử lý vượt quá mức 500mg/l. Giống như các hệ thống xử lý sinh học khác, nhiệt độ thấp làm giảm khả năng phân hủy sinh học của phin lọc nhỏ giọt. Ở những vùng lạnh có thể phải che phủ kín các phin này. Hiệu quả khử BOD5 phụ thuộc nhiều vào lượng tạp chất hữu cơ nhưng thường đạt khoảng 45 – 70% cho phin lọc một lần và có thể tới 90% nếu lọc hai lần.