Báo cáo chuyên đề Vai trò của công nghệ sinh học trong xử lý nước thải

99 trang vanle 3141

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo chuyên đề Vai trò của công nghệ sinh học trong xử lý nước thải", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_chuyen_de_vai_tro_cua_cong_nghe_sinh_hoc_trong_xu_ly.pdf

Nội dung text: Báo cáo chuyên đề Vai trò của công nghệ sinh học trong xử lý nước thải

Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP.HCM KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN \ [ Báo cáo chuyên đề Cơng Nghệ Sinh học Mơi trường VAI TRỊ CỦA CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Người thực hiện: Nhĩm 1 – Lớp DH07MT Huỳnh Thị Ánh Nguyễn Xuân Bách Phạm Trung Hiền Đỗ Xuân Hiển Nguyễn Nhật Nam Lưu Thị Bích Ngân Hán Thành Tâm Võ Minh Thái Lê Minh Trực Tháng 10/2009
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Chương I. GIỚI THIỆU 1 1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ SINH HỌC 1 1.1.1. Thế giới 5 1.1.2. Việt Nam 7 1.2. HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 10 1.3. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 10 Chương II. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 11 2.1. KHÁI NIỆM NƯỚC THẢI 11 2.2. THÀNH PHẦN LÝ HĨA HỌC CỦA NƯỚC THẢI 12 2.2.1. Tính chất vật lý 12 2.2.2. Tính chất hĩa học 13 2.3. CÁC THƠNG SỐ ĐÁNH GIÁ Ơ NHIỄM VÀ YÊU CẦU ĐỂ XỬ LÝ 13 2.3.1. Các thơng số đánh giá 13 2.3.2. Yêu cầu xử lý 16 Chương III. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 19 3.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC 19 3.1.1. Xử lý tự nhiên 19 3.1.2. Xử lý nhân tạo 23 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH 26 3.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 28 3.4. VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 30 3.4.1. Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật 30 3.4.2. Vi sinh vật chỉ thị trong cơng trình xử lý nước thải 32 Chương IV. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC NƯỚC THẢI 35 4.1. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC KỊ KHÍ 35 4.1.1. Giới thiệu 35 4.1.2. Phân loại 38 4.1.3. Động học cho quá trình kỵ khí 42
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 4.2. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ 41 4.2.1. Giới thiệu 41 4.2.2. Phân loại 45 4.2.3. Động học cho quá trình hiếu khí 47 4.3. MÀNG SINH HỌC 50 4.3.1. Cấu tạo và hoạt động của màng 50 4.3.2. Những đặc tính sinh học 55 4.3.3. Những đặc tính sinh học về sự loại bỏ cơ chất 57 4.3.4. Ưu và khuyết điểm của màng 57 4.3.4.1. Ưu điểm 57 4.3.4.2. Khuyết điểm 60 Chương V. PHÂN LOẠI NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 62 5.1. BẢN CHẤT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ 62 5.2. CƠ SỞ LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ 62 5.3. NƯỚC THẢI SINH HOẠT 64 5.3.1. Thành phần tính chất 64 5.3.2. Phương pháp xử lý 69 5.3.3. Kết quả thu được 70 5.4. NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP 71 5.4.1. Thành phần tính chất 71 5.4.2. Phương pháp xử lý 74 5.4.3. Kết quả thu được 74 5.5. NƯỚC THẢI ĐƠ THỊ 75 5.5.1. Thành phần tính chất 75 5.5.2. Phương pháp xử lý 76 5.5.2.1. Xử lý sinh học để làm sạch BOD 76 5.5.2.2. Loại bỏ Nitrat bằng sinh học 78 5.5.2.3. Loại bỏ Phosphat bằng sinh học 79 5.5.3. Kết quả thu được 79 Chương VI. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH HĨA MỸ PHẨM 80 6.1. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH MỸ PHẨM 80
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 6.1.1. Định nghĩa 80 6.1.2. Phân loại 80 6.2. NGUYÊN LÝ SẢN XUẤT MỸ PHẨM 81 6.3. NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT MỸ PHẨM 82 6.3.1. Chất hoạt động bề mặt 83 6.3.2. Phẩm màu dùng trong mỹ phẩm 83 6.3.3. Dầu mỡ 84 6.4. QUY TRÌNH SẢN XUẤT 85 6.4.1. Sản xuất xà phịng tắm 85 6.4.2. Sản xuất dầu gội đầu 86 6.4.3. Sản xuất sữa tắm 87 6.5. THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT NƯỚC THẢI 88 6.6. HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỸ PHẨM 88 6.6.1. Sơ đồ quy trình và các phương pháp xử lý 88 6.6.2. Ảnh hưởng của quá trình xử lý sinh học kị khí nước thải mỹ phẩm 90 6.7. Kết quả xử lý 91 Chương VII. KẾT LUẬN 92 III.1. Lợi ích của Cơng nghệ sinh học với đời sống con người 92 III.2. Đề xuất một số biện pháp để làm giảm lượng nước thải trong sản xuất và sinh hoạt 93 WWWWWW XXXXXX
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Chương I. GIỚI THIỆU 1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CƠNG NGHỆ SINH HỌC. Như chúng ta đã biết, từ xưa con người đã biết tới Cơng nghệ sinh học. Ví dụ như lên men để tạo ra rượu. Tuy lúc đĩ con người chưa biết hiện tượng đĩ là gì họ chỉ làm theo bản năng hay “cha truyền con nối”. Nhưng điều đĩ cũng đã hình thành và thơi thúc họ tìm tịi học hỏi. Cơng nghệ sinh học bắt đầu từ sự nghiên cứu các vật nuơi và cây trồng, phức tạp và đẹp đẽ ngay từ những nét nhỏ nhất của chúng. Từ khi giống cây trồng đầu tiên được phát triển thơng qua lai tạo do Thomas Fairchild vào năm 1719, cho đến khi Mendel tìm ra định luật di truyền vào năm 1866, xây dựng nền tảng di truyền học. Cĩ thể coi Mendel là người đặt nền mĩng cho những nghiên cứu quá trình phát triển tiến hĩa của sinh giới ở mức độ vi mơ. Phát minh của ơng đã đặt nền mĩng cho di truyền học. Tiếc rằng phát hiện này của ơng đăng trên một tạp chí địa phương, dù cĩ mặt ở các thư viện lớn của châu Âu thời ấy, lại khơng được ai để ý tới. Cho tới khi cuộc “Cách mạng xanh” ra đời đã giúp đẩy lùi nạn đĩi trên tồn cầu trong giai đoạn nửa cuối thế kỷ 20, thời điểm dân số bùng nổ mạnh ở các nước kém phát triển. Nhờ cuộc “Cách mạng xanh”, từ năm 1960 – 1990 sản lượng nơng nghiệp trên tồn thế giới đã tăng gấp đơi, cứu sống khoảng 1 tỉ người ở những nước đang phát triển khỏi nguy cơ chết đĩi. Nhà khoa học Mỹ Norman Borlaug chính là cha đẻ của cuộc cách mạng đĩ. Kể từ cuộc “Cách mạng xanh”, vai trị của Cơng nghệ sinh học đã được tồn thể giới chú ý đến. Đầu những năm 1980, đã bắt đầu hình thành cơng nghệ sinh học hiện đại là lĩnh vực cơng nghiệp sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào đã được biến đổi di truyền. Các nước cĩ nền cơng nghiệp mới thì từ những năm 85 và các nước đang phát triển trong khu vực thì chủ yếu từ những năm 90 trở lại đây. Đến nay hầu hết ở các nước Cơng nghệ sinh học đều được coi là một hướng khoa học cơng nghệ ưu tiên đầu tư và phát triển. Quá trình phát triển cơng nghệ sinh học qua ba cuộc cách mạng: Cách mạng sinh học lần thứ nhất (đầu thế kỷ 20): sử dụng quá trình lên men để sản xuất các sản phẩm như acetone, glycerine, citric acid, riboflavin Cách mạng sinh học lần thứ hai (sau thế chiến thứ 2): sản xuất kháng sinh, các sản phẩm lên men cơng nghiệp như glutamic acid, các polysaccharide. Trong 1
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT đĩ, cĩ các thành tựu về đột biến, tạo các chủng vi sinh vật cho năng suất và hiệu quả cao, phát triển các quá trình lên men liên tục và phát hiện phương pháp mới về bất động enzyme để sử dụng nhiều lần Cách mạng sinh học lần thứ ba (bắt đầu từ giữa thập niên 1970): với các phát hiện quan trọng về enzyme cắt hạn chế, enzyme gắn, sử dụng plasmid làm vector tạo dịng, đặt nền mĩng cho một nền cơng nghệ sinh học hồn tồn mới đĩ là cơng nghệ DNA tái tổ hợp. Ngồi ra, cĩ thể hiểu cơng nghệ sinh học hình thành và phát triển qua 4 giai đoạn: Giai đoạn 1: Hình thành rất lâu trong việc sử dụng các phương pháp lên men vi sinh vật để chế biến và bảo quản thực phẩm, ví dụ sản xuất pho mát, dấm ăn, làm bánh mì, nước chấm, sản xuất rượu bia Trong đĩ, nghề nấu bia cĩ vai trị rất đáng kể. Ngay từ cuối thế kỷ 19, Pasteur đã cho thấy vi sinh vật đĩng vai trị quyết định trong quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của ngành cơng nghiệp lên men sản xuất dung mơi hữu cơ như aceton, ethanol, butanol, isopropanol vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20. Giai đoạn 2: Nổi bật nhất của quá trình phát triển cơng nghệ sinh học trong giai đoạn này là sự hình thành nền cơng nghiệp sản xuất thuốc kháng sinh penicillin, khởi đầu gắn liền với tên tuổi của Fleming, Florey và Chain (1940). Trong thời kỳ này đã xuất hiện một số cải tiến về mặt kỹ thuật và thiết bị lên men vơ trùng cho phép tăng đáng kể hiệu suất lên men. Các thí nghiệm xử lý chất thải bằng bùn hoạt tính và cơng nghệ lên men yếm khí tạo biogas chứa chủ yếu khí methane, CO2 và tạo nguồn phân bĩn hữu cơ cĩ giá trị cũng đã được tiến hành và hồn thiện. Giai đoạn 3: Bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ 20, song song với việc hồn thiện các quy trình cơng nghệ sinh học truyền thống đã cĩ từ trước, một số hướng nghiên cứu và phát triển cơng nghệ sinh học đã hình thành và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát minh quan trọng trong ngành sinh học nĩi chung và sinh học phân tử nĩi riêng. Đĩ là việc lần đầu tiên xác định được cấu trúc của protein (insulin), xây 2
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT dựng mơ hình cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA (1953). Chính những phát minh trong giai đoạn này làm tiền đề cho các nghiên cứu và ứng dụng sau này vào cơng nghệ sinh học hiện đại. Giai đoạn 4: Bắt đầu từ năm 1973, khi những thí nghiệm khởi đầu dẫn đến sự ra đời của kỹ thuật DNA tái tổ hợp được thực hiện và sự xuất hiện insulin-sản phẩm đầu tiên của nĩ vào năm 1982, cùng với thí nghiệm chuyển gen vào cây trồng cũng thành cơng vào năm này. Đến nay, cơng nghệ sinh học hiện đại đã cĩ những bước tiến khổng lồ trong các lĩnh vực nơng nghiệp (cải thiện giống cây trồng ), y dược (liệu pháp gen, liệu pháp protein, chẩn đốn bệnh ), cơng nghiệp thực phẩm (cải thiện các chủng vi sinh vật ) Cĩ thể phân biệt 2 nhĩm cơng nghệ sinh học là: 1. Cơng nghệ sinh học truyền thống (traditional biotechnology) Bao gồm: Thực phẩm lên men truyền thống (food of traditional fermentations). Cơng nghệ lên men vi sinh vật (microbial fermentation technology). Sản xuất phân bĩn và thuốc trừ sâu vi sinh vật (production of microbial fertilizer and pesticide). Sản xuất sinh khối giàu protein (protein – rich biomass production). Nhân giống vơ tính bằng nuơi cấy mơ và tế bào thực vật (plant micropropagation). Thụ tinh nhân tạo (in vitro fertilization). 2. Cơng nghệ sinh học hiện đại (modern biotechnology) Cơng nghệ sinh học hiện đại ra đời cùng với sự xuất hiện kỹ thuật gen. Cơ sở sinh học áp dụng ở đây bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hĩa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, cùng các nguyên lý kỹ thuật máy tính Các lĩnh vực ứng dụng của cơng nghệ sinh học: 1. Trong nơng nghiệp: Lĩnh vực nơng nghiệp tuy khơng phải là mục tiêu phát triển hàng đầu của các nước phát triển, nhưng thực tế cho thấy những nghiên cứu, hoạt động sản xuất ở lĩnh vực này được nhiều người quan tâm. 3
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Việc tạo ra các giống cây mới làm tăng năng suất, kháng sâu bệnh, chống chịu với điều kiện ngoại cảnh tốt Các chế phẩm sinh học: thuốc trừ sâu, phân bĩn Hormone sinh trưởng 2. Trong y dược: Đây là lĩnh vực mà thành tựu của cơng nghệ sinh học chiếm ưu thế và đa dạng nhất, cũng như tầm quan trọng rõ nhất. Các kháng sinh, các vitamin hay các loại thuốc chữa bệnh. Hiện nay, các cơng ty cơng nghệ sinh học y dược hàng đầu thế giới đang tập trung vào nghiên cứu tạo ra sản phẩm chống lại các căn bệnh như HIV/AIDS, các loại bệnh ung thư, tiểu đường, các bệnh tim mạch, các bệnh truyền nhiễm 3. Cơng nghệ sinh học cơng nghiệp và chế biến thực phẩm: Cơng nghệ sinh học cơng nghiệp bao gồm các lĩnh vực sản xuất các loại enzyme như amylase, cellulase và protease dùng trong cơng nghiệp dệt, cơng nghiệp xà phịng và mỹ phẩm, cơng nghiệp bánh kẹo, rượu bia và nước giải khát Các sản phẩm ứng dụng cơng nghệ sinh học khá thiết thực và đa dạng: Cơng nghiệp hĩa chất. Cơng nghiệp chế tạo giấy. Cơng nghiệp khai khống và phát hiện khống sản. Cĩ hai cơng nghệ: lọc sinh học/oxy hĩa sinh học các kim loại, xử lý ơ nhiễm kim loại và tái sinh. Cơng nghệ lọc kim loại dùng các vi sinh vật cĩ thể thu được các kim loại quí như đồng, kẽm và cobalt. Cơng nghệ xử lý sinh học ơ nhiễm cĩ thể áp dụng đối với các kim loại nặng. 4. Cơng nghệ sinh học mơi trường: Tuy là lĩnh vực khá mới nhưng sự phát triển và ứng dụng của cơng nghệ sinh học mơi trường rất đáng kể. Mọi quá trình xử lý chất thải nếu khơng khép kín bằng xử lý sinh học thì khĩ cĩ thể thành cơng trọn vẹn. Các hoạt động của cơng nghệ sinh học mơi trường đang được chú trọng là: Cơng nghệ phân hủy sinh học: dùng các cơ thể sống phân hủy các chất thải độc tạo nên các chất khơng độc như nước, khí CO2 và các vật liệu khác. Bao gồm, cơng nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sự sinh 4
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT trưởng của các vi sinh vật phân hủy chất thải cĩ sẵn trong mơi trường, cơng nghệ bổ sung vi sinh vật vào mơi trường để phân hủy chất ơ nhiễm, cơng nghệ xử lý ơ nhiễm kim loại và các chất ơ nhiễm khác bằng thực vật và nấm. Dự phịng mơi trường: phát triển các thiết bị dị và theo dõi ơ nhiễm mơi truờng, đặc biệt trong việc dị nước và khí thải cơng nghiệp trước khi giải phĩng ra mơi trường. 1.1.2. Thế giới. Cơng nghệ sinh học được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Gĩp phần cải thiện cuộc sống con người ngày càng tốt hơn. Nâng cao năng suất sản xuất, tăng khả năng chữa bệnh giúp con người sống lâu hơn. Các thành tựu đạt được: Trong nơng nghiệp: Hiện nay, cĩ 23 quốc gia trên thế giới canh tác cây trồng Cơng nghệ sinh học. Những nước sử dụng đất canh tác các loại cây trồng sinh học nhiều nhất là Mỹ, Achentina, Braxin, Canađa, ấn Độ và Trung Quốc. Diện tích đất trồng cây Cơng nghệ sinh học trên thế giới liên tục phát triển. Năm 2005, diện tích cây trồng biến đổi gien là 90 triệu ha, đến năm 2007, là 114,3 triệu hecta, chiếm 8% trong tổng số 1,5 tỷ ha diện tích canh tác trên tồn thế giới. Dự kiến đến năm 2015 tổng diện tích gieo trồng các giống cây sinh học của tồn thế giới sẽ đạt khoảng 200 triệu hécta với 40 quốc gia tham gia canh tác. Tại Mỹ, cơng nghệ sinh học đã và đang làm thay đổi bộ mặt ngành nơng nghiệp. Ứng dụng Cơng nghệ sinh học trong nơng nghiệp đã làm giảm 34% lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ. Ấn Độ đang nổi lên trở thành quốc gia đi đầu trong việc ứng dụng cơng nghệ sinh học tại châu Á. Thành cơng lớn nhất của ấn Độ là phát triển cây bơng biến đổi gien kháng sâu bệnh và chịu hạn tốt Sự thành cơng đĩ là nhờ vào các kỹ thuật: + Kỹ thuật cấy mơ. + Kỹ thuật sinh học phân tử. + Kỹ thuật di truyền. 5
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Trong y học: Cho đến nay, cĩ lẽ thành tựu cơng nghệ sinh học được thể hiện rõ nét nhất là ở lĩnh vực y học như liệu pháp protein và liệu pháp gen để chữa trị một số bệnh hiểm nghèo (ung thư, nhiễm virus và hiện đang thử nghiệm chữa trị bệnh AIDS ) cũng như để chẩn đốn bệnh (viêm gan, sốt xuất huyết, sán lá gan ) và phịng bệnh (vaccine). Ngày nay, với những cơng cụ của kỹ thuật gen, ngành y khơng chỉ dựa vào các triệu chứng lâm sàng mà cịn cĩ khả năng tác động thẳng vào các nguyên nhân sâu xa của bệnh đĩ là sự bất thường của gen. Cơng nghệ sinh học đã xâm nhập vào hầu như mọi lĩnh vực của y học, trong đĩ đáng kể nhất là lĩnh vực chẩn đốn và phịng ngừa với việc tạo ra các bộ kit chẩn đốn bệnh bằng phương pháp PCR và các DNA vaccine cĩ hiệu quả cao. Lĩnh vực sản xuất thuốc chữa bệnh như interferon, insulin, interleukin, hormone sinh trưởng ở người ngày càng phát triển mạnh và trở thành một ngành cơng nghiệp quan trọng. Đặc biệt, liệu pháp gen mặc dù thành tựu cịn ít nhưng đã mở ra những triển vọng to lớn trong việc chữa trị những bệnh di truyền và bệnh nan y. Trong mơi trường: Như chúng ta đã biết, thế giới ngày càng phát triển và dân số ngày càng tăng. Điều đĩ làm cho mơi trường xung quanh chúng ta phải nhận đủ mọi loại rác thải, từ rác thải cơng nghiệp đến rác thải sinh hoạt. + Xử lý nước thải: Qua nhiều thí nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng vi sinh vật cho quá trình xử lý. Các hệ thống lọc, bể lọc, quá trình lắng và khử trùng được nghiên cứu và phát triển. Gĩp phần hạn chế phí phạm nguồn tài nguyên nước của chúng ta. Ở Singapore, hàng chục năm nay Singapore phải nhập khẩu nước từ bang Johor - Malaysia. Nhưng 2 hiệp ước mua bán nước cấp quốc gia sẽ hết hạn lần lượt vào các năm 2011 và 2061, và quan hệ song phương thường bị ảnh hưởng bởi những bất đồng về giá nước thơ. Cho nên Singapore đã tái chế nước thải thành nước uống cĩ tên gọi “NEWater”. Mặc dù chi phí khơng nhỏ nhưng họ quyết định dùng cả 3 cấp xử lý: Lọc Ultra (UF), lọc thẩm thấu ngược (RO) và thanh trùng bằng tiacực tím (UV), đảm bảo độ tinh khiết tối đa của thành phẩm NEWater. Chất lượng nước đầu 6
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT ra hồn tồn an tồn cho ăn uống, sinh hoạt và sử dụng vào các mục dích khác. NEWater trong như pha lê và sạch hơn bất cứ một loại nước nào cĩ trong tự nhiên. Ở Israel, nước thải cơng nghiệp và sinh hoạt đều được thu gom vào các hệ thống xử lý tập trung. Ở các hệ thống này sử dụng các giải pháp xử lý dựa vào từ tính (sử dụng thanh nam châm để tách các chất hữu cơ độc hại như dầu, chất tẩy rửa, hĩa chất nhuộm và kim loại nặng trong nước thải); xử lý bằng phương pháp kết đơng điện từ (xử lý loại bỏ kim loại nặng trong nước bằng việc đưa hyđrơxyt kim loại trùng hợp, là phương pháp dùng để xử lý nước thải cơng nghiệp và đơ thị); xử lý bằng cách làm lắng đọng (nước được làm sạch bằng việc lắng chất bẩn cĩ thể được sử dụng trong nơng nghiệp) 1.1.3. Việt Nam. Từ năm 1986 trở lại đây, Việt Nam đã cĩ 4 chương trình phát triển Cơng nghệ sinh học ở quy mơ khác nhau. Các trường đại học của ta hiện cĩ gần 20 khoa đào tạo về Cơng nghệ sinh học, trong đĩ số người cĩ trình độ tiến sĩ là khoảng 100. Cả nước cũng cĩ 44 tổ chức khoa học, cơng nghệ về Cơng nghệ sinh học, sở hữu 10 phịng thí nghiệm. 6 phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia với số vốn đầu tư lớn đang được triển khai khẩn trương. Đặc biệt, ngày 4-3-2005, Ban Bí thư Trung ương Đảng đã ban hành Chỉ thị số 50-CT/TƯ về Đẩy mạnh phát triển và ứng dụng Cơng nghệ sinh học phục vụ cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước. Thực tế, Cơng nghệ sinh học Việt Nam cũng đạt được một số thành cơng nhất định, trong các lĩnh vực nghiên cứu: gien, tế bào - mơ phơi, enzim – protein, vi sinh. Nổi bật hơn cả là việc các nhà khoa học đã nhanh chĩng tạo ra các giống cây trồng thuần nhờ áp dụng cơng nghệ tế bào - mơ phơi. Cơng nghệ sinh học nước ta đã ứng dụng cơng nghệ thụ tinh trong ống nghiệm, thụ tinh trứng và tinh trùng đơng lạnh tại một số bệnh viện tuyến Trung ương, đem lại hạnh phúc cho hàng chục nghìn cặp vợ chồng hiếm muộn. Ngành y tế nước ta cũng đã làm chủ được cơng nghệ nhân nuơi tế bào gốc phục vụ điều trị bệnh hiểm nghèo và bước đầu tạo ra các động vật cĩ các yếu tố phù hợp cho cơng tác cấy ghép nội tạng. Cơng nghệ sản xuất vắc – xin của Việt Nam hiện được các nước trong khu vực Đơng Nam Á đánh giá rất cao nhờ áp dụng một số kết quả nghiên cứu do Cơng nghệ sinh học mang lại. 7
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Tuy nhiên, bên cạnh những thành tựu thì cũng khơng trành khỏi những khĩ khăn hạn chế. Trong quá trình phát triển Cơng nghệ sinh học giai đoạn 1985 – 2005, số lượng cán bộ nghiên cứu và nhân viên kỹ thuật Cơng nghệ sinh học của ta cịn quá ít, nhất là trong cơng nghệ gien. Ngồi ra, hầu hết các lĩnh vực Cơng nghệ sinh học trong nơng nghiệp ở nước ta vẫn chỉ là cơng nghệ chai lọ, mới hồn thành được khâu nghiên cứu cơ bản, tính ứng dụng thực tế khơng cao, đặc biệt là khĩ mở rộng thành đại trà. Thậm chí, cĩ nhiều cơng trình vừa nghiên cứu xong, chưa kịp tìm hiểu tính thực tiễn thì lại bỏ đấy để đi tìm cái mới. Theo chương trình nghiên cứu khoa học Cơng nghệ sinh học trọng điểm Nhà nước giai đoạn 2006 – 2010, đến cuối thời kì này nước ta sẽ cố gắng làm chủ và ứng dụng được cơng nghệ nền của Cơng nghệ sinh học và tạo được sản phẩm phục vụ phát triển kinh tế, xã hội. Một số thành tựu của cơng nghệ sinh học Việt Nam thời gian qua. Trong phát triển nơng nghiệp: Cơng nghệ sinh học Việt Nam đã đạt được một số thành cơng nhất định, trong các lĩnh vực nghiên cứu: Gien, tế bào-mơ phơi, enzim-protein, vi sinh. Nên hàng loạt các dịng thuần ở lúa, ngơ được tạo ra bằng kỹ thuật đơn bội nuơi cấy bao phấn và nỗn Một số giống lúa mới của Việt Nam được tạo bằng Cơng nghệ sinh học như DR1, DR2 cĩ những đặc tính đặc biệt: Chịu rét, đẻ nhánh khỏe và tập trung, thấp cây, ngắn ngày, năng suất đạt 8 – 9 tấn/ha. Đây là những giống lúa rất cĩ triển vọng đưa ra sản xuất đại trà. Trong chăn nuơi, phương pháp truyền giống nhân tạo được áp dụng rộng rãi. Cơng nghệ sinh học đã tạo bước đột phá trong sản xuất giống lợn ngoại năng suất cao, giống lợn siêu nạc, giống vịt siêu thịt, vịt siêu trứng và gà tam hồn, gĩp phần nâng tỷ trọng của chăn nuơi trong tồn ngành nơng nghiệp từ 17,9% năm 1986 lên 20% năm 2004. Trong lâm nghiệp, đã nghiên cứu sử dụng izozyme, trong chọn giống keo, bạch đàn và lát hoa cũng như trong bảo tồn nguồn gen cây rừng. Đã tách chiết AND và định vị dược một sơ allen cho một số dịng keo lai, đang khảo nghiệm một số dịng bạch đàn biến nạp gen về thay đổi hàm lượng và tính chất lignin. 8
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Trong y tế: + Sản xuất vacxin: TS Huỳnh Phương Liên đi dọc ở nước ngồi chỉ “1 tháng” đã cố gắng nghiên cứu và chế tạo vacxin Viêm não Nhật Bản (VNNB). Thành quả của những nỗ lực tột bậc nĩi trên là 4 loạt vắc – xin VNNB đầu tiên do VN sản xuất đạt tiêu chuẩn quốc tế 100%, tinh khiết tối đa và rất an tồn. + Thụ tinh nhân tạo trong ống nghiệm: ngày 30/04/1998, ba em bé từ ba trường hợp TTTON thành cơng đầu tiên ở Việt Nam ra đời. Việt Nam hiện đang dẫn đầu trong khu vực về một số kỹ thuật và đạt đến trình độ thế giới ở một số kỹ thuật chuyên biệt như: IVF (trưởng thành trứng trong ống nghiệm), Vitrification (đơng lạnh phơi trứng bằng phương pháp thủy tinh hĩa), sử dụng GnRH antagonist trong TTTON Trong lĩnh vực mơi trường: Từ hơn 10 năm qua, đã cĩ một số cơ quan thuộc các ngành giao thơng vận tải, cơng nghiệp, năng lượng nghiên cứu về năng lượng sinh học. Gần đây, một số cơng ty tại An Giang, Cần Thơ, Long An đã đầu tư xưởng sản xuất diesel sinh học từ mỡ cá basa với tổng cơng suất khoảng 40.000 tấn/năm, nhưng do chưa cĩ tiêu chuẩn chất lượng cho sản phẩm, nên chưa thương mại được. Sản xuất phân bĩn từ rác: Các nhà khoa học thuộc Viện Cơng nghệ sinh học (Trung tâm Khoa học tự nhiên và Cơng nghệ quốc gia) đã bắt tay vào nghiên cứu cơng nghệ sản xuất phân bĩn hữu cơ vi sinh từ các chất phế thải. Các nhà khoa học đã phân lập được một số chủng vi sinh vật chịu nhiệt cĩ khả năng phân hủy nhanh các chất hữu cơ (chủ yếu là các chất chứa xenlulơ). Nhờ đĩ đã rút ngắn được quá trình ủ rác bớt 14 ngày so với quy trình đang áp dụng và tăng 20% lượng bùn trong phân bĩn. Các vi sinh vật cĩ khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật, cố định nitơ, phân giải hợp chất phốtphát khĩ tan. Bể phản ứng kỵ khí với các vách ngăn mỏng và ngăn lọc kỵ khí (Baffled septic tank with anearobic filter – BASTAF) là cơng nghệ do Trung tâm Kỹ thuật Mơi trường Đơ thị và Khu cơng nghiệp (CEETIA), Trường Đại học Xây dựng phối hợp với các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học và Cơng nghệ Mơi trường Liên bang Thụy Sỹ (EAWAG) phát triển. Bể BASTAF cĩ 4 – 6 vách ngăn. Cũng theo nguyên tắc lắng và phân huỷ sinh học kỵ khí như bể tự hoại thơng thường, nhưng nước thải 9
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT khơng đi qua bể theo chiều ngang mà đi theo đường dích dắc nhờ các vách ngăn mỏng, hoặc các ống PVC hướng dịng đặt trong bể, hướng dịng nước chuyển động lên và xuống. Khi nước thải chuyển động từ dưới lên trên, nĩ sẽ đi xuyên qua lớp bùn đáy bể. Các vi khuẩn kỵ khí cĩ rất nhiều trong lớp bùn cặn đáy bể, sẽ hấp thụ, phân hủy các chất hữu cơ cĩ trong nước thải, đồng thời cặn cũng được giữ lại và phân hủy. Các vách ngăn cịn cho phép tăng hệ số sử dụng thể tích bể, tránh các vùng nước chết. Ngăn lọc kỵ khí được bố trí ở cuối bể tiếp tục xử lý các chất lơ lửng và hữu cơ cịn trong nước thải. Nước thải đầu ra cĩ thể được xử lý tiếp tục bằng bãi lọc ngầm, hồ sinh học cho phép chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn B (TCVN 5945 – 2005). 1.2. HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI. Cơng nghệ xử lý nước thải ngày càng đi sâu vào áp dụng cơng nghệ sinh học và các biện pháp sinh học cũng đã chứng minh hiệu quả xử lý triệt để, hơn hẳn những biện pháp xử lý hĩa lý khác. Xử lý nước thải bằng cơng nghệ sinh học đáp ứng mục đích đưa dịng thải vào vịng tuần hồn tự nhiên của vật chất, chất thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên. Kết quả của quá trình xử lý là các chất thải được chuyển hĩa hồn tồn thành dịng thải sạch (đủ tiêu chuẩn). Trong quá trình xử lý này, con người khơng tác động trực tiếp các biện pháp lý hĩa vào quy trình khép kín, do đĩ lượng nước thải sau khi xử lý được đưa vào tự nhiên sạch hơn mà khơng bị biến đổi thành phần tính chất. 1.3. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA CƠNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI. Ý nghĩa thực tiễn của việc áp dụng cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải là vơ cùng quan trọng trong đời sống. Vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn mơi trường. Cĩ thể kể những ý nghĩa quan trọng như : - Ứng dụng sinh học như một vịng tuần hồn tự nhiên khép kín, xử lý chất thải hiệu quả mà khơng mang lại ảnh hưởng xấu hoặc biến đổi bất lợi khác cho mơi trường. Chất lượng nước đầu ra sạch hơn và cĩ tính chất như nước tự nhiên. 10
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT - Cơng nghệ sinh học là cơng cụ xử lý triệt để và chủ động trên thành phần và tính chất nước thải, khơng cần thiết cĩ sự can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên. Thuận tiện trong cơng tác vận hành và quản lý. - Tiết kiệm kinh phí trong việc xử lý nước thải. Chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn chi phí cho các biện pháp xử lý khác. Bên cạnh đĩ chi phí quản lý cũng thấp do việc quản lý đơn giản hơn. - Những chất khơng bị phân hủy trong nước thải cơng nghiệp trước hết là trong cơng nghiệp hĩa học. Người ta phân lập và tạo ra những chủng cĩ thể phân hủy các chất đĩ trong điều kiện tự nhiên. - Các phương pháp khử kim loại nặng trong bùn vừa xử lý được ơ nhiễm vừa thu lại được các kim loại quý. - Xử lý được nguồn nước thải nồng độ cao, đặc biệt là BOD, COD, SS trong đĩ nước thải dễ xử lý sinh học cĩ nồng độ COD từ 20.000 – 30.000 mg/l. (phân hủy kỵ khí). - Phân hủy hiếu khí được ứng dụng rộng rãi để ổn định chất rắn với kích thước bể xử lý từ nhỏ đến trung bình. (Q < 20.000 – 40.000 m3/ngày ). - Hồ sinh học dung xử lý các loại nước thải cơng nghiệp, sinh hoạt và cả nước thải chăn nuơi cĩ hàm lượng chất hữu cơ ơ nhiễm cao. Chương II. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1. KHÁI NIỆM NƯỚC THẢI. Khái niệm nước thải: Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã làm thay đổi tính chất ban đầu của chúng. Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ơ nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành: nước thải sinh hoạt, nước cơng nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải đơ thị. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, cơng sở, trường học hay các cơ sở khác. Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khống. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các 11
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT chất hữu cơ khơng bền sinh học (như cacbonhydrat, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi. Nước thải cơng nghiệp (hay nước thải sản xuất) Nước thải cơng nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động sản xuất. Trong quá trình cơng nghệ các nguồn nước thải cĩ thể phân thành: - Nước hình thành do phản ứng hĩa học (chúng bị ơ nhiễm bởi các tác chất và các sản phẩm phản ứng). - Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách ra trong quá trình chế biến. - Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị. - Nước hấp thụ, nước làm nguội. Nước thải tự nhiên Nước mưa được xem là nước thải tự nhiên. Ở những thành phố hiện đại, nước mưa được thu gom bằng hệ thống riêng. Nước thải đơ thị Nước thải đơ thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thốt của một thành phố. Đĩ là hỗn hợp các loại nước thải kể trên. 2.2. THÀNH PHẦN LÝ HĨA HỌC CỦA NƯỚC THẢI 2.2.1. Tính chất vật lý Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc, mùi, nhiệt độ và lưu lượng. - Màu: nước thải mới cĩ màu nâu hơi sáng, tuy nhiên thường là cĩ màu xám cĩ vẩn đục. Màu sắc của nước thải sẽ thay đổi đáng kể nếu như bị nhiễm khuẩn, khi đĩ sẽ cĩ màu đen tối. - Mùi: cĩ trong nước thải là do các khí sinh ra trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do một số chất được đưa thêm vào. - Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nguồn nước sạch ban đầu, do cĩ sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy mĩc sản xuất. - Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một đặc tính vật lý của nước thải, cĩ đơn vị m3/người.ngày. Vận tốc dịng chảy luơn thay đổi theo ngày. 12
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 2.2.2. Tính chất hĩa học Các thơng số thể hiện tích chất hĩa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, vơ cơ và khí. Hay để đơn giản hĩa, người ta xác định các thơng số như: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hịa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (hữu cơ, vơ cơ, huyền phù và khơng tan) và nước. - Độ kiềm: thực chất độ kiềm là mơi trường đệm để giữ pH trung tính của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hĩa. - Nhu cầu oxy sinh hĩa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh 0 hĩa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 20 C. BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100 – 300 mg/l. - Nhu cầu oxy hĩa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hĩa trong nước thải. COD thường trong khoảng 200 – 500 mg/l. Tuy nhiên, cĩ một số loại nước thải cơng nghiệp BOD cĩ thể tăng rất nhiều lần. - Các chất khí hịa tan: đây là những chất khí cĩ thể hịa tan trong nước thải. Nước thải cơng nghiệp thường cĩ lượng oxy hịa tan tương đối thấp. - Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi đối với mỗi loại nước thải khác nhau. - pH: đây là cách nhanh nhất để xác định tính axit cua nuoc thải. Nồng độ pH khoang 1 – 14. Để xử lý nước thải cĩ hiệu quả pH thường trong khoảng 6 – 9,5 (hay tối ưu là 6,5 – 8). - Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hĩa. P thường trong khoảng 6 – 20 mg/l. - Các chất rắn: hầu hết các chất ơ nhiễm trong nước thải cĩ thể xem là chất rắn. - Nước: luơn là thành phần cấu tạo chính của nước thải. Trong một số trường hợp, nước cĩ thể chiếm từ 99,5% - 99,9% trong nước thải (thậm chí ngay cả ngay cả trong những loại nước thải ơ nhiễm nặng nhất các chất ơ nhiễm cũng chiếm 0,5%, cịn đối nguồn nước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là 0,1%). 2.3. CÁC THƠNG SỐ ĐÁNH GIÁ Ơ NHIỄM VÀ YÊU CẦU ĐỂ XỬ LÝ 2.3.1. Các thơng số đánh giá Đánh giá chất lượng nước thải cần dựa vào một số thơng số cơ bản, so sánh với các chỉ tiêu cho phép về thành phần hĩa học và sinh học đối với từng loại nước sử 13
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT dụng cho mục đích khác nhau. Các thơng số cơ bản để đánh giá chất lượng nước là: độ pH, màu sắc, độ đục, hàm lượng chất rắn, các chất lơ lửng, các kim loại nặng, oxy hịa tan và đặc biệt là BOD và COD. Ngồi các chỉ tiêu hĩa học cần quan tâm tới chỉ tiêu sinh học, đặc biệt là E.coli. - Độ pH: là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho ta biết cần thiết phải trung hịa hay khơng và tính lượng hĩa chất cần thiết trong quá trình xử lý đơng keo tụ, khử khuẩn - Hàm lượng các chất rắn: tổng chất rắn là thành phần quan trọng của nước thải. Tổng chất rắn (TS) được xác định bằng trọng lượng khơ phần cịn lại sau khi cho bay hơi 11 mẫu nước trên bếp cách thủy rồi sấy khơ ở 1030C cho đến khi trọng lượng khơ khơng đổi. Đơn vị tính bằng mg hoặc g/l. - Màu: nước cĩ thể cĩ độ màu, đặc biệt là nước thải thường cĩ màu nâu đen hoặc đĩ nâu. - Độ đục: Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước. Vi sinh vật cĩ thể bị hấp thụ bởi các hạt rắn lơ lửng sẽ gây khĩ khăn khi khử khuẩn. Độ đục càng cao độ nhiễm bẩn càng lớn. - Oxy hịa tan (DO – Dissolved oxygen): là một chỉ tiêu quan trọng của nước, vì các sinh vật trên cạn và cả dưới nước sống được là nhờ vào oxy. Độ hịa tan của nĩ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và các đặc tính của nước. Phân tích chỉ số oxi hịa tan (DO) là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ơ nhiễm của nước và giúp ta đề ra biện pháp xử lý thích hợp. - Chỉ số BOD (Nhu cầu oxy sinh hĩa – Biochemical Oxygen Demand): nhu cầu oxy sinh hĩa hay nhu cầu oxy sinh học là lượng oxy cần thiết để oxy hĩa các chất hữu cơ cĩ trong nước bằng vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí. BOD là chỉ tiêu thơng dụng nhất để xác định mức độ ơ nhiễm của nước thải. Phương trình tổng quát oxy hĩa sinh học: Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Vi sinh vật Quá trình này địi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, vào các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, cũng như một số chất cĩ 14
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT độc tính xảy ra trong nước. Bình thường 70% nhu cầu oxy được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Xác định BOD được sử dụng rộng rãi trong mơi trường: 1. Xác định gần đúng lượng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu cơ cĩ trong nước thải. 2. Làm cơ sở tính tốn thiết bị xử lý. 3. Xác định hiệu suất xử lý của một quá trình. 4. Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý được phép xả vào nguồn nước. Trong thực tế, người ta khơng thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hồn tồn chất hữu cơ vì như thế tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần 0 thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ ủ 20 C, ký hiệu BOD5. Chỉ số này được dùng hầu hết trên thế giới. - Chỉ số COD (Nhu cầu oxy hĩa học – Chemical Oxygen Demand): Chỉ số này được dùng rộng rãi để đặc trưng cho hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ơ nhiễm của nước tự nhiên. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hĩa hĩa học các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và H2O. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ cĩ thể bị oxy hĩa được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hĩa hĩa học mạnh trong mơi trường axit. Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ khơng thể bị oxy hĩa bằng vi sinh vật do đĩ nĩ cĩ giá trị cao hơn BOD. Đối với nhiều loại nước thải, giữa BOD và COD cĩ mối tương quan nhất định với nhau. - Các chất dinh dưỡng: chủ yếu là N và P, chúng là những nguyên tố cần thiết cho các thực vật phát triển hay chúng được ví như là những chất dinh dưỡng hoặc kích thích sinh học. + Nito (N): nếu thiếu N cĩ thể bổ sung thêm N để nước thải đĩ cĩ thể xử lý bằng sinh học. + Phospho (P): cĩ ý nghĩa quan trọng trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. 15
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT - Chỉ thị về vi sinh của nước (E.coli): Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, bệnh viện, vùng du lịch, khu chăn nuơi nhiễm nhiều loại vi sinh vật. Trong đĩ cĩ nhiều lồi vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là bệnh về đường tiêu hĩa, tả lị, thương hàn, ngộ độc thực phẩm. Chất lượng về mặt vi sinh của nước thường được biểu thị bằng nồng độ của vi khuẩn chỉ thị – đĩ là những vi khuẩn khơng gây bệnh và về nguyên tắc đĩ là nhĩm trực khuẩn (coliform). Thơng số được sử dụng rộng rãi nhất là chỉ số coli. Tuy tổng số coliform thường được sử dụng như một chỉ số chất lượng của nước về mặt vệ sinh, nhưng ở điều kiện nhiệt đới, chỉ số này chưa đủ ý nghĩa về mặt vệ sinh do: + Cĩ rất nhiều vi khuẩn coliform tồn tại tự nhiên trong đất, vì vậy mật độ cao các vi khuẩn của nước tự nhiên giàu dinh dưỡng cĩ thể khơng cĩ ý nghĩa về mặt vệ sinh. + Các vi khuẩn coliform cĩ xu hướng phát triển trong nước tự nhiên và ngay trong cả các cơng đoạn xử lý nước thải (trước khi khử trùng) trong điều kiện nhiệt đới. 2.3.2. Yêu cầu xử lý. Do xu thế phát triển của xã hội cùng với quá trình đo thị hĩa diễn ra, các ngành cơng – nơng nghiệp, các nhà mày, xí nghiệp, khu cơng nghiệp liên tục mọc lên nên địi hỏi cần nhiều nước sạch. 1 m3 nước thải cĩ thể làm nhiễm bẩn 10 m3 nước sạch. Do đĩ, nguồn nước ngày càng cạn kiệt và thiếu hụt nghiêm trọng. Điều đĩ khiến cho việc cung cấp nước cho con người trở thành vấn đề hết sức khĩ khăn. Thế giới đã đưa ra những tiêu chuẩn về cấp – thốt nước, ở mỗi quốc gia cũng cĩ luật riêng. Nhưng hầu hết chất lượng nước thải điều vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Chình vì vậy, xử lý nước thải để cĩ thể “quay vịng” cho nước trở lại là một vần đề đang được chú trọng và nghiên cứu. Gĩp phần bào vệ mơi trường, mang lại cuộc sống tốt đẹp cho con người. Chúng ta hãy hy vọng vào một tương lai tốt đẹp hơn cho nhân loại. 16
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Bảng 1 – Giá trị giới hạn các thơng số và nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải cơng nghiệp (TCVN 5945 – 2005) Giá trị giới hạn TT Thơng số Đơn vị A B C 1 Nhiệt độ oC 40 40 45 5 đến 2 pH - 6 đến 9 5,5 đến 9 9 Khơng khĩ Khơng khĩ 3 Mùi - - chịu chịu Màu sắc, Co – Pt ở 4 20 50 - pH=7 o 5 BOD5 (20 C) mg/l 30 50 100 6 COD mg/l 50 80 400 7 Chất rắn lơ lửng mg/l 50 100 200 8 Asen mg/l 0,05 0,1 0,5 9 Thủy ngân mg/l 0,005 0,01 0,01 10 Chì mg/l 0,1 0,5 1 11 Cadimi mg/l 0,005 0,01 0,5 12 Crom (IV) mg/l 0,05 0,1 0,5 13 Crom (III) mg/l 0,2 1 2 14 Đồng mg/l 2 2 5 15 Kẽm mg/l 3 3 5 16 Niken mg/l 0,2 0,5 2 17 Mangan mg/l 0,5 1 5 18 Sắt mg/l 1 5 10 19 Thiếc mg/l 0,2 1 5 20 Xianua mg/l 0,07 0,1 0,2 21 Phenol mg/l 0,1 0,5 1 22 Dầu mở khống mg/l 5 5 10 23 Dầu động thực vật mg/l 10 20 30 24 Clo dư mg/l 1 2 - 25 PCBs mg/l 0,003 0,01 0,05 17
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Hĩa chất bảo vệ thực 26 mg/l 0,3 1 vật: Lân hữu cơ Hĩa chất bảo vệ thực 27 mg/l 0,1 0,1 vật: Clo hữu cơ 28 Sunfua mg/l 0,2 0,5 1 29 Florua mg/l 5 10 15 30 Clorua mg/l 500 600 1000 31 Amoni (tính theo Nitơ) mg/l 5 10 15 32 Tổng nitơ mg/l 15 30 60 33 Tổng phơtpho mg/l 4 6 8 34 Coliform MPN/100ml 3000 5000 - Xét nghiệm sinh học 90% cá sống sĩt sau 96 giờ 35 - (Bioassay) trong 100% nước thải Tổng hoạt độ phĩng xạ 36 Bq/l 0,1 0,1 - α Tổng hoạt độ phĩng xạ 37 Bq/l 1,0 1,0 - β 18
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Chương III. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật cĩ khả năng phân hĩa những hợp chất hữu cơ. Các chất hữu cơ sau khi phân hĩa trở thành nước, những chất vơ cơ hay các khí đơn giản. Cĩ 2 loại cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: - Điều kiện tự nhiên. - Điều kiện nhân tạo. 3.1.1. Xử lý tự nhiên. Cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc: - Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể. Như vậy, nước thải là một nguồn phân bĩn tốt cĩ lượng thích hợp với sự phát triển của thực vật. - Tỷ lệ các nguyên tố dinh dưỡng trong nước thải thường là 5:1:2 =N:P:K. - Nước thải cơng nghiệp cũng cĩ thể sử dụng nếu chúng ta loại bỏ các chất độc hại. - Để sử dụng nước thải làm phân bĩn, dống thời giải quyết xử lý nước thải theo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới cơng cộng và cánh đồng lọc. - Nguyên tắc hoạt động: Việc xử lý nước thai bằng cánh đồng tưới, cánh đồng lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước trên mặt đất, nước thắm qua đất như đi qua khe lọc, nhờ cĩ oxy trong các lỗ hỏng và mao quản của lớp đất mặt, các VSV hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống, lượng oxy ít và quá trình oxy hĩa các chất hữu cơ giảm dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đĩ chỉ xảy ra quá trình khử nitrat. Đã xác định được quá trình oxy hĩa nước thải chỉ xảy ra ở lớp đất mặt sâu tới 1.5m. Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi nào cĩ mực nguồn nước thấp hơn 1.5m so với mặt đất. - Nguyên tắc xây dựng: cánh đồng tưới và bãi lọc là những mảnh đất được san phẳng hoặc tạo dốc khơng đáng kể và được ngăn cách và tạo thành các ơ bằng các bờ đất. Nước thải phân bố vào các hệ thống mạng lưới phân phối gồm: mương 19
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT chính, máng phân phối và hệ thống tưới trong các ơ. Nếu thu đất chỉ dùng xử lý nước thải, hoặc chứa nước thải khi cần thiết gọi là bãi lọc. Sơ đồ cánh đồng tưới 1. Mương chính và màng phân phối; 2. Máng, rãnh phân phối trong các ơ; 3. Mương tiêu nước; 4. Ống tiêu nước; 5. Đường đi. Diện tích thực dụng của cánh đồng tưới, bãi lọc: Với: q: T/C tưới lấy theo bảng sau. Bảng 2 – Tiêu chuẩn tưới đối với cánh đồng cơng cộng t0 trung bình Tiêu chuẩn nước tưới (m3/ha.ng.đ) Loại cây trồng năm của KK Á sét Á cát Cát Vườn 45 60 80 6 – 9,50C Đồng 25 30 40 Vườn 60 70 85 9,5 – 110C Đồng 30 35 45 Vườn 70 80 90 11 – 150C Đồng 35 40 45 20
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Bảng 3 – Tiêu chuẩn tưới cho một số loại cây trồng Loại cây trồng T/C tưới (m3/ha) Bắp cải sớm và xúp lơ 2500-6300 Bắp cải muộn 5000-7000 Cà chua 4000-4500 Củ cải 3000-6500 Khoai tây 1800-2500 Hành tỏi, rau thơm 5000-10000 Bảng 4 – Tiêu chuẩn phụ thuộc mực nước ngầm 1.5 2.0 3.0 6 – 110C 70 75 85 A sét 11 – 150C 80 85 100 6 – 110C 16 13 235 Cát 11 – 150C 18 21 350 Cánh đồng tưới Nơng nghiệp: Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bĩn để tưới lên các cánh đồng nơng nghiệp ở những vùng ngoại ơ. Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại: - Thu nhận nước thải quanh năm. - Thu nước thải theo mùa. Khi thu hoạch, gieo hạt hoặc về mùa mưa người ta lại giữ trữ nước thải trong các đầm hồ (hồ nuơi cá, hồ sinh học, hồ điều hịa, ) hoặc xả ra cánh đồng cỏ, cánh đồng trồng cây ưa nước hay hay vào vùng dự trữ. Trước khi đưa vào cánh đồng, nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác, bể lắng cát hoặc bể lắng. Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng cơng cộng và cĩ ý kiến chuyên gia nơng nghiệp. 21
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Hồ sinh học: - Cấu tạo: Hồ sinh vật là các ao hồ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, cịn gọi là hồ oxy hĩa, hồ ổn định nước thải, Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hĩa sinh hĩa các chất hữu cơ nhờ các lồi vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác. - Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá trình quang hợp cũng như oxy hĩa từ khơng khí để oxy hĩa các chất hữu cơ, rong tảo lại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hĩa các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ khơng được thấp hơn 60C. Theo quá trình sinh hĩa, người ta chia hồ sinh vật ra các loại: hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tùy nghi. Hình 1. Hồ sinh học - Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ. - Ngồi việc xử lý nước thải cịn cĩ nhiệm vụ: + Nuơi trồng thủy sản. + Nước tưới cho cây trồng. + Điều hịa dịng chảy. - Bao gồm các loại: + Hồ kỵ khí: dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng phương pháp sinh học tự nhiên dựa trên sự phân giải của VSV kỵ khí. Chuyên dùng xử lý nước thải cơng nghiệp nhiễm bẩn. 22
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT + Hồ kỵ hiếu khí: trong hồ xảy ra 2 quá trình song song là: oxy hĩa hiếu khí và phân hủy mêtan cặn lắn. Gồm cĩ 3 lớp: hiếu khí, trung gian và kỵ khí. Nguồn oxy cấp chủ yếu là do quá trình quang hợp rong tảo. Quá trình kỵ khí ở đáy phụ thuộc vào nhiệt độ. Chiều sâu của hồ kỵ hiếu khí từ 0.9 – 1.5 m. + Hồ hiếu khí: oxy hố các chất hợp chất nhờ VSV hiếu khí. Cĩ 2 loại: hồ làm thống tự nhiên và hồ làm thống nhân tạo. Hồ làm thống tự nhiên: cấp oxy chủ yếu do khuyếch tán khơng khí qua mặt nước và quang hợp của các thực vật. Diện tích hồ lớn, chiều sâu của hồ từ 30 – 50 cm. Tải trọng BOD từ 250 – 300 kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Hồ làm thống nhân tạo: cấp oxy bằng khí nén và máy khuấy. Tuy nhiên, hồ hoạt động như hồ kỵ hiếu khí. Chiều sâu từ 2 – 4.5 m, tải trọng BOD 400 kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước từ 1 – 3 ngày. 3.1.2. Xử lý nhân tạo. Bể lọc sinh học (Bể Biophin cĩ lớp vật liệu khơng thấm nước): - Cấu tạo: cĩ vật liệu tiếp xúc khơng ngập nước. + Các lớp vật liệu cĩ độ rỗng và diện tích lớn nhất (nếu cĩ thể). + Nước thải được phân phối đều. + Nước thải sau khi tiếp xúc vật liệu tạo thành các hạt nhỏ chảy thành màng nhỏ luồng qua khe hở vật liệu lọc. + Ở bề mặt vật liệu lọc và các khe hở giữa chúng các cặn bẩn được giữ lại tạo thành màng (Màng sinh học). + Lượng oxy cần thiết để cấp làm oxy hố chất bẩn đi từ đáy lên. + Những màng vi sinh đã chết sẽ cùng nước thải ra khỏi bể được giữ ở bể lắng 2. - Vật liệu lọc: + Cĩ diện tích bề mặt/đơn vị diện tích lớn. + Than đá cục, đá cục, cuội sỏi lớn, đá ong (60-100 mm). - Hệ thống phân phối nước: + Dàn ống tự động qua (bể trộn, tháp lọc). + Dàn ống cố định (lọc sinh học nhỏ giọt) cao tải. + Khoảng cách từ vịi phun đến bề mặt vật liệu: 0.2 – 0.3 m. 23
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT - Sàn đỡ và thu nước: cĩ 2 nhiệm vụ + Thu đều nước cĩ các mảnh vở của màng sinh học bị trĩc. + Phân phối đều giĩ vào bể lọc để duy trì MT hiếu khí trong các khe rỗng. + Sàn đỡ bằng bê tơng và sàn nung. + Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0.6 – 0.8 m, i = 1 – 2 %. - Phân loại bể lọc sinh học: Thơng số Đơn vị đo Tải trọng thấp Tải trọng cao 0.9-2.4 (đá) Chiều cao lớp VL m 1 – 3 6-8 (nhựa tấm) Đá cục, than cục, Đá cục, than, đá Loại đá ong, ong, nhựa đúc. Kg Tải trọng theo chất HC 0.08 – 0.4 0.4 – 0.16 BOD/l.m3.ngày Tải trọng thuỷ lực theo m3/m2.ngày 1 – 4.1 4.1 – 40.7 diện tích bề mặt Hiệu quả BOD % 80 – 90 65 – 85 Bể Aerotank: - Nguyên lý làm việc của bể Aerotank: + Bể Aerotank được đưa ra và nghiên cứu rất lâu (từ 1887-1914 áp dụng). + Bể Aerotank là cơng trình xử lý sinh học sử dụng bùn hoạt tính (đĩ là loại bùn xốp chứa nhiều VS cĩ khả năng oxy hố các chất hữu cơ). + Thực chất quá trình xử lý nước thải bằng bể Aerotank vẫn qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: Tốc độ oxy hố xác định bằng tốc độ tiêu thụ oxy. Giai đoạn 2: Bùn hoạt tính khơi phục khả năng oxy hố, đồng thời oxy hố tiếp những chất hợp chất chậm oxy hố. Giai đoạn 3: Giai đoạn nitơ hố và các muối amơn. + Khi sử dụng bể Aerotank phải cĩ hệ thống cấp khí. - Phân loại bể Aerotank: a) Theo nguyên lý làm việc: + Bể Aerotank thơng thường: cơng suất lớn. 24
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Bể Aerotank xử lý sinh hố khơng hồn tồn (BOD20 ra ~ 60 – 80 mg/l). Bể Aerotank xử lý sinh hố hồn tồn (BOD20 ra ~ 15 – 20 mg/l). + Bể A sức chứa cao: BOD20 > 500 mg/l. b) Phân loại theo sơ đồ cơng nghệ: + Aerotank bậc 1. + Aerotank bậc 2. c) Theo phương pháp làm thống: + Bằng khí nén. + Khuấy cơ học. + Thống kết hợp. + Quạt giĩ. Hình 2. Bể Aeroten Xử lý nước thải bằng vi sinh kỵ khí (bể UASB): - Cấu tạo : Bể UASB cĩ thể xây dựng bằng bêtơng cốt thép, thường xây dựng hình chữ nhật. Để dễ tách khí ra khỏi nước thải người ta lắp thêm tấm chắn khí cĩ độ nghiêng >= 350 so vơí phương ngang. Nhiệt độ càng cao thì hiệu quả xử lí của bể UASB càng cao, do đĩ bể này áp dụng rất tốt ở Việt Nam. - Nguyên tắc: Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên với vận tốc 0.6 – 0.9 m/h. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí xảy ra (bùn + nước thải) tạo ra khí (70 – 80% CH4). - Ưu và nhược điểm của bể UASB : + Ưu điểm: Giảm lượng bùn sinh học, do đĩ giảm được chi phí xử lí bùn. Khí sinh ra là khí biogas (CH4) mang tính kinh tế cao. Xử lí được hàm lượng chất 25
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT hữu cơ cao, tối đa là 4000 mg/l, BOD 500 mg/l, điều này khơng thể thực hiện được ở các bể sinh học hiếu khí hay chỉ áp dụng ở những bể đặc biệt như Aerotank cao tải. So với Aerotank (0.3 – 0.5 kgBOD/m3/ngày)thì bể UASB chịu được tải trọng gấp 10 lần khoảng 3 – 8 kgBOD/m3/ngày, từ đĩ giảm được thể tích bể. Khơng tốn năng lượng cho việc cấp khí vì đây là bể xử lí sinh học kị khí , đối với các bể hiếu khí thì năng lượng này là rất lớn. Xử lí các chất độc hại, chất hữu cơ khĩ phân hủy rất tốt. Khả năng chịu sốc cao do tải lượng lớn. Ít tốn diện tích. + Nhược điểm: Khởi động lâu, phải khởi động một tháng trước khi hoạt động. Hiệu quả xử lí khơng ổn định vì đây là quá trinh sinh học xảy ra tự nhiên nên chúng ta khơng thể can thiệp sâu vào hệ thống. Lượng khí sinh ra khơng ổn định gây khĩ khăn cho vận hành hệ thống thu khí. Xử lí khơng đạt hiệu quả khi nồng độ BOD thấp. Hình 3. Bể UASB 3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH. Cơ sở để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hố vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng cĩ trong tự nhiên nhờ khả năng đồng hố được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau cĩ trong nước thải. 26
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Trong các nguồn nước luơn xảy ra quá trình Amon hố chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi khuẩn Amơn hố. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối như lồi Pseudomonadales, Eubateriales mà Protein bị phân huỷ thành các hợp chất đơn giản hơn là các Polipeptit, Oligopeptit. Các chất này hoặc tiếp tục được phân huỷ thành các Axit amin nhờ men Peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ sau đĩ sẽ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các Axit amin. Các axit amin một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp Protein - xây dựng tế bào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau để tạo NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác. Với các Protein cĩ chứa S, nhờ tác dụng của men Desunfuraza sẽ bị phân hủy tạo ra H2S. Sản phẩm phân giải bởi vi sinh vật kỵ khí cịn cho Scatol, Indol, Mercaptan và một số khí khác. Nhờ sự hoạt động của một số vi khuẩn như Thiobacillus, Thiobacillus denitrificans, vi khuẩn lưu huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình Sunfat hố được thực hiện. Ngược lại, quá trình khử Sunfat cũng xảy ra bởi các vi khuẩn kỵ khí cĩ trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desunfovibrio desunfuricans). Ngồi ra cịn thấy lồi Clotridium nigrificans và lồi Pseudomonas Zelinskii cũng cĩ khả năng khử Sunfat. Trong điều kiện tự nhiên nhiều lồi vi khuẩn như lồi Acinetobacter và nấm cĩ khả năng phân giải và giải phĩng photpho trong xương động vật ở dạng rắn Ca3(PO4)2 sang dạng hồ tan. Theo con đường thuỷ phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces và các lồi nấm bậc cao chuyển hố nhanh tinh bột thành đường và các loại đường này một phần bị phân huỷ thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, một phần được chuyển hố trong quá trình trao đổi chất. Trong điều kiện kỵ khí tinh bột bị phân huỷ bởi Clotridium. Trong điều kiện hiếu khí Cytophaza và Sporocytophaga là lồi cĩ khả năng phân huỷ xenluloza mạnh nhất. Ngồi ra, các lồi Pseudomonadales, Vibrio, Myxobacterium, Actinomycetes và Cellvibrio cũng tham gia phân huỷ xenluloza. Xenluloza bị phân huỷ bởi các men ngoại bào thành các sản phẩm trung gian và đường. Trong bùn lắng quá trình lên 27
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT men kỵ khí chủ yếu bởi Clotridium phân huỷ xenluloza thành Etanol, Axit focmic, Axit axetic, Axit lactic, H2 và CO2. Trong tự nhiên cịn xảy ra quá trình tự làm sạch nhờ các sinh vật sử dụng các chất bẩn trong nước làm nguồn thức ăn. Về mặt sinh học tham gia vào quá trình tự làm sạch cĩ rất nhiều lồi sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật, nhuyễn thể và vi sinh vật với mức độ khác nhau nhưng đĩng vai trị quyết định vẫn là các vi sinh vật. Ngồi ra cịn thấy vai trị làm sạch của các lồi tảo. Thơng qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxi cho mơi trường và các chất kháng sinh để tiêu diệt các mầm bệnh cĩ trong nước. Một số lồi tảo và lồi nhuyễn thể 2 mảnh cịn cĩ khả năng hấp thụ các kim loại nặng và tia phĩng xạ. Trong nước thải các vi sinh vật luơn cĩ mối quan hệ rất phức tạp với nhau. Quan hệ cạnh tranh đã cĩ ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Quan hệ “mồi thú” đã làm cho số lượng vi sinh vật trong nước thải thay đổi. Ngồi 2 mối quan hệ trên trong hệ vi sinh vật nước thải nhiều lồi vi sinh vật đã sống cộng sinh với nhau cĩ ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Kết quả của các quan hệ này đã làm ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân huỷ chất bẩn của các vi sinh vật. 3.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LÊN MEN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI. Quá trình xử lý nước thải bằng Vi sinh vật thực chất là một quá trình lên men. Xử lý nước thải với quá trình sinh trưởng lơ lửng rất gần với quá trình lên men thu sinh khối ở cơng nghệ vi sinh vật. Xử lý nước thải với quá trình sinh trưởng bám dính rất gần với quá trình lên men theo phương pháp cố định tế bào. Chúng chỉ khác nhau là quá trình lên men cơ bản được thực hiện với giống Vi sinh vật thuần chủng cịn trong xử lý nước thải được thực hiện với giống là một quần thể vi sinh vật tự nhiên. Trong trường hợp chung, tốc độ phản ứng lên men chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố mơi trường trong đĩ các yếu tố chính là: nhiệt độ, độ pH, nồng độ men, chất kìm hãm, chất hoạt hố và nồng độ của cơ chất. Ở các điều kiện nhiệt độ, độ pH khơng đổi trong trường hợp dư thừa cơ chất tốc độ phản ứng lên men tuyến tính bậc nhất với nồng độ men. Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng lên men vào nồng độ cơ chất S và nồng độ men E tuân theo phương trình Michaelis – Menten (1913): v = {V.[S]} / {Km + [S]} 28
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Trong đĩ: v là tốc độ phản ứng lên men. V là tốc độ phản ứng lên men cực đại (mg/l.s). [S] là nồng đ ộ cơ chất (mg/l) Km là hằng số phân ly phức chất/hằng số Michaelis- Menten (mol/l). Từ phương trình cơ bản về động học phản ứng lên men của Michaelis – Menten năm 1942 và 1949 với sự chấp nhận giả thiết tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng Vi sinh vật bị giới hạn bởi tốc độ các phản ứng lên men, Monod đã biểu thị sự ảnh hưởng của nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn S tới tốc độ sinh trưởng riêng µ của vi sinh vật bằng phương trình kinh nghiệm cĩ dạng: µ = { µ 0.[S]} / {Ks + [S]} Trong đĩ: µ là tốc độ sinh trưởng riêng (1/s). µ 0 là tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (1/s). [S] là nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn (mg/l) Ks là hằng số bán bão hồ cĩ giá trị bằng nồng độ cơ chất khi µ = µ 0/ 2 (mg/l). Phương trình Monod cho thấy khi cơ chất dư thừa tức là [S] luơn luơn lớn hơn Ks thì µ = µ 0. Lúc này phương trình tốc độ sinh trưởng Vi sinh vật cĩ dạng: rg = dX/dt = µ.X = {µ.[S]} / {Ks + [S]}.X = µ0.X Như vậy tốc độ sinh trưởng rg tỷ lệ bậc nhất với nồng độ bùn X (mg/l). Nồng độ bùn sẽ quyết định động học sinh trưởng của vi sinh vật. Khi cơ chất bị giới hạn thiếu hụt tức là [S] luơn luơn nhỏ hơn Ks thì rg= const. Tốc độ sinh trưởng rg tỷ lệ bậc khơng với nồng độ bùn X. Nồng độ bùn sẽ khơng quyết định động học sinh trưởng của vi sinh vật. Khi [S] = Ks thì µ = µ 0 /2. Trong nuơi cấy theo mẻ hoặc nuơi cấy liên tục khơng phải tất cả cơ chất đều bị chuyển hố thành sinh khối. Một phần cơ chất được dùng để tạo tế bào mới (đồng hố), một phần bị oxi hố (dị hố) thành các sản phẩm phụ vơ cơ hoặc hữu cơ. Số tế bào mới được sinh ra lại tiếp tục sử dụng cơ chất để sinh trưởng và phát triển. Do đĩ tốc độ sử 29
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT dụng cơ chất luơn lớn hơn tốc độ tạo thành sinh khối. Mối quan hệ giữa tốc độ sinh trưởng rg và tốc độ sử dụng cơ chất rs tuân theo phương trình: rs = dS/ dt = - rg / Y= - {µ0 .[S].X} / {Ks + [S]}.Y Trong đĩ: rs là tốc độ sử dụng cơ chất (mg/l.giây) Y là tốc độ sử dụng cơ chất tối đa – hệ số đồng hố (là tỷ số giữa sinh khối và khối lượng cơ chất được tiêu thụ trong một thời gian nhất định trong pha sinh trưởng logarit [mg MLSS/lit]/ [mg BOD5 đã sử dụng/lit]). Trong pha sinh trưởng chậm dần đã cĩ một số vi sinh vật bị chết và bị phân hủy nội sinh. Phương trình động học phân hủy nội sinh là phương trình bậc nhất cĩ dạng: rd = (dX/dt)ns = - Kd.X Trong đĩ: rd là tốc độ phân huỷ nội sinh (mg/l.s). Kd là hằng số tốc độ phân hủy nội sinh (1/s). X là nồng độ bùn (mg/l). Như vậy tốc độ sinh trưởng thực của vi sinh vật tính theo: / (dX/dt)thực = r g = rg - rd hay / r g = [- Y. rs] + [Kd . X] = - { µ 0 .[S].X} / {Ks + [S]} + [Kd . X] Tốc độ sinh trưởng riêng thực được tính theo cơng thức của Van Uden: / µ = µ - Kd = { µ 0.[S]} / {Ks + [S]} - Kd Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) Yb được tính theo cơng thức: / Yb = r g / rs 3.4. VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI. 3.4.1. Khái niệm vi sinh vật và tầm quan trọng của vi sinh vật. Khái niệm: Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào cĩ kích thước nhỏ, khơng quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi. Thuật ngữ vi sinh vật khơng tương đương với bất kỳ đơn vị phân loại nào trong phân loại khoa học. Nĩ bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh 30
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Vi sinh vật đĩng vai trị vơ cùng quan trọng trong thiên nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nĩ biến đá mẹ thành đất trồng, nĩ làm giàu chất hữu cơ trong đất, nĩ tham gia vào tất cả các vịng tuần hồn vật chất trong tự nhiên. Nĩ là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của các hệ sinh thái. Nĩ đĩng vai trị quyết định trong quá trình tự làm sạch các mơi trường tự nhiên. Trong bảo vệ mơi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch mơi trường, xử lý các chất thải độc hại. Sử dụng vi sinh vật trong việc chế tạo phân bĩn sinh học, thuốc bảo vệ thực vật khơng gây độc hại cho mơi trường, bảo vệ mối cân bằng sinh thái. Đặc điểm chung: - Kích thước nhỏ bé: kích thước vi sinh vật thường được đo bằng micromet. - Hấp thu nhiều, chuyển hĩa nhanh. Vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ cĩ thể phân giải một lượng đường lactozơ nặng hơn 1000-10000 lần khối lượng của chúng. - Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh. So với các sinh vật khác thì vi sinh vật cĩ tốc độ sinh trưởng cực kì lớn. - Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị. - Phân bố rộng, chủng loại nhiều. - Do tính chất dễ phát sinh đột biến nên số lượng lồi vi sinh vật tìm được ngày càng tăng. - VSV gồm nhiều nhĩm phân loại khác nhau, là những cơ thể đơn bào hay tập hợp đơn bào, cĩ kích thước hiển vi. Vai trị của vi sinh vật: - Trong tự nhiên: Tích cực: + Vi sinh vật là mắt xích quan trọng trong các chu trình chuyển hĩa vật chất và năng lượng trong tự nhiên. + Tham gia vào việc gìn giữ tính bền vững của hệ sinh thái và bảo vể mơi trường. Tiêu cực: + Gây bệnh cho người, động – thực vật. 31
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT + Là nguyên nhân gây hư hỏng thực phẩm. - Trong nghiên cứu di truyền: Là đối tượng lí tưởng trong cơng nghệ di truyền, cơng nghệ sinh học - Bảo vệ mơi trường: Vi sinh vật tham gia tích cực vào quá trình phân giải các phế thải nơng nghiệp, phế thải cơng nghiệp, rác sinh hoạt Tầm quan trọng: Vi sinh vật sống trong đất và trong nước tham gia tích cực vào quá trình phân giải các xác hữu cơ biến chúng thành CO2 và các hợp chất vơ cơ khác dùng làm thức ăn cho cây trồng. Các vi sinh vật cố định nitơ thực hiện việc biến khí nitơ (N2) + trong khơng khí thành hợp chất nitơ (NH3, NH4 ) cung cấp cho cây cối. Vi sinh vật cĩ khả năng phân giải các hợp chất khĩ tan chứa P, K, S và tạo ra các vịng tuần hồn trong tự nhiên. Vi sinh vật cịn tham gia vào quá trình hình thành chất mùn. Vi sinh vật cĩ vai trị quan trọng trong năng lượng (sinh khối hố thạch như dầu hoả, khí đốt, than đá). Trong các nguồn năng lượng mà con người hy vọng sẽ khai thác mạnh mẽ trong tương lai cĩ năng lượng thu từ sinh khối. Sinh khối là khối lượng chất sống của sinh vật. Vi sinh vật là lực lượng sản xuất trực tiếp của ngành cơng nghiệp lên men bởi chúng cĩ thể sản sinh ra rất nhiều sản phẩm trao đổi chất khác nhau (các loại axit, enzim, rượu, các chất kháng sinh, các axit amin, các vitamin ). Trong cơng nghiệp tuyển khống, nhiều chủng vi sinh vật đã được sử dụng để hồ tan các kim loại quý từ các quặng nghèo hoặc từ các bãi chứa xỉ quặng. Vi sinh vật cĩ hại thường gây bệnh cho người, cho gia súc, gia cầm, tơm cá và cây trồng. Chúng làm hư hao hoặc biến chất lương thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hố. Chúng sản sinh các độc tố trong đĩ cĩ những độc tố hết sức nguy hiễm. Chỉ riêng sự tấn cơng của virut HIV cũng đủ gây ra ở 50 triệu người nhiễm HIV. Cuối thế kỷ XX khoảng 30 triệu người nhiễm. 3.4.2. Vi sinh vật chỉ thị trong cơng trình xử lý nước thải. Các vi sinh vật chỉ thị việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân: - Coliforms và Fecal Coliforms: + Coliform: là các vi khuẩn hình que gram âm cĩ khả năng lên men lactose để sinh ga ở nhiệt độ 350C (± 0,50C), Coliform cĩ khả năng sống ngồi đường ruột 32
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT của động vật (tự nhiên), đặt biệt trong mơi trường khí hậu nĩng. Nhĩm vi khuẩn Coliform chủ yếu bao gồm các giống như Citrobacter, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella và cả Fecal coliforms (trong đĩ E. coli là lồi thường dùng để chỉ định việc ơ nhiễm nguồn nước bởi phân). Chỉ tiêu tổng Coliform khơng thích hợp để làm chỉ tiêu chỉ thị cho việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân. Tuy nhiên, việc xác định số lượng Fecal Coliform cĩ thể sai lệch do cĩ một số vi sinh vật (khơng cĩ nguồn gốc từ phân) cĩ thể phát triển ở nhiệt độ 440C. Do đĩ số lượng E. coli được coi là một chỉ tiêu thích hợp nhất cho việc quản lý nguồn nước. + Fecal Streptococci: nhĩm này bao gồm các vi khuẩn chủ yếu sống trong đường ruột của động vật như Streptococcus bovis và S. Equinus. Một số lồi cĩ phân bố rộng hơn hiện diện cả trong đường ruột của người và động vật nhu S. faecalis và S. faecium hoặc cĩ 2 biotype (S. faecalis var liquefaciens và loại S. faecalis cĩ khả năng thủy phân tinh bột). Các loại biotype cĩ khả năng xuất hiện cả trong nước ơ nhiễm và khơng ơ nhiễm. Việc đánh giá số lượng Faecal streptococci trong nước thải được tiến hành thường xuyên. Tuy nhiên, nĩ cĩ các giới hạn như cĩ thể lẫn lộn với các biotype sống tự nhiên, F. streptococci rất dễ chết đối với sự thay đổi nhiệt độ. Việc phát hiện, xác định từng loại vi sinh vật gây bệnh khác rất khĩ, tốn kém thời gian và tiền bạc. Do đĩ, để phát hiện nguồn nước bị ơ nhiễm bởi phân người ta dùng các chỉ định như là sự hiện diện của Fecal Coliforms, Fecal Streptocci, Clostridium perfringens và Pseudomonas acruginosa. Cũng cần phải nĩi thêm rằng mối quan hệ giữa sự chết đi của các vi sinh vật chỉ thị và vi sinh vật gây bệnh chưa được thiết lập chính xác. Ví dụ, khi người ta khơng cịn phát hiện được Fecal Coliform nữa thì khơng cĩ nghĩa là tất cả các vi sinh vật gây bệnh đều đã chết hết. Trong quá trình thiết kế các hệ thống xử lý các nhà khoa học và kỹ thuật phải hạn chế tối đa các ảnh hưởng của chất thải tới sức khoẻ cộng đồng. Mỗi nước, mỗi địa phương thường cĩ những tiêu chuẩn riêng để kiểm tra khống chế. Do kinh phí và điều kiện cĩ giới hạn các Sở KHCN & MT thường dùng chỉ tiêu E. coli hoặc tổng Coliform để qui định chất lượng các loại nước thải. 33
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Xếp loại các vi sinh vật cĩ trong phân người và gia súc theo mức độ nguy hiểm: Lý sinh trùng (ancylostoma, Ascaris, trichuris và Mức độ nguy hiểm cao Taenia) Mức độ nguy hiểm trung Vi khuẩn đường ruột (Chloera vibrio, Sallmonella bình typhosa, Shigella và một số loại khác) Mức độ nguy hiểm thấp Các vi rút đường ruột Số lượng coliform hay E. coli được biểu diễn bằng số khả hữu MPN (Most Probable Number). Và sau khi cĩ kết quả nuơi cấy ta cĩ thể dùng cơng thức Thomas để tính số MPN: Các vi sinh vật chỉ thị dùng để quản lý cho các nguồn nước cĩ mục đích sử dụng khác nhau: Đơi khi chúng ta cần phải xác định là nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi phân người hay phân gia súc để cĩ những biện pháp quản lý thích hợp. Khi đĩ người ta thường sử dụng tỉ lệ Fecal Coliform trên Fecal streptococci. - pH của mẫu phải từ 4 – 9 để bảo đảm khơng cĩ ảnh hưởng xấu đến cả hai nhĩm vi khuẩn này. - Mỗi mẫu phải được đếm í nhất 2 lần. - Để giảm thiểu sai số do tỉ lệ chết khác nhau, mẫu phải được lấy tại nơi cách nguồn gây ơ nhiễm khơng quá 24h (tính theo vận tốc dịng chảy). - Chỉ những cá thể Fecal coliform phát hiện ở phép thử ở 44oC mới được dùng để tính tỉ lệ FC/FS. 34
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Chương IV. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC NƯỚC THẢI 4.1. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC KỊ KHÍ. 4.1.1. Giới thiệu. Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vơ cơ phân tử trong điều kiện khơng cĩ oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí. - Phân hủy kỵ khí cĩ thể chia làm 6 quá trình: 1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo. 2. Lên men các amino acid và đường. 3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols). 4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic). 5. Hình thành khí methane từ acid acetic. 6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2. Các quá trình này cĩ thể họp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ: - Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất khơng tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hĩa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hịa tan (đường, các amino acid, acid béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm. - Acid hĩa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hĩa các chất hịa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid cĩ thể làm pH giảm xuống 4.0. - Acetic hố (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hĩa các sản phẩm của giai đoạn acid hĩa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới. - Methane hĩa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hĩa thành methane, CO2 và sinh khối mới. Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hĩa và acetic hĩa, COD hầu như khơng giảm, COD chỉ giảm trong giai đoạn methane. 35
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Hình 4. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong kỵ khí 36
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 100%COD VẬT CHẤT HỮU CƠ ĐẶC BIỆT Proteins Carbohydrates Lipid 1a ∼39% 1c Thuỷ 1b 34% phân ∼21% ∼40 5% Amino acid, đường Acid béo 2 34% 3 66% Lên men 20% 0% Oxy hố yếm khí Sản phẩm trung 34% gian 11% 4 20% 23% 11% 8 % 35% 12% Acetate Hydrogen 5 6 Acetotroph 70 % 30% Hydrogenotroph Methane 100 % COD Hình 5. Thể hiện các dịng biến đổi chất trong quá trình phân hủy kỵ khí 37
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 4.1.2. Phân loại. Cơng nghệ xử lý kỵ khí Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính Xáo trộn Tiếp xúc UASB Lọc kỵ Tầng lơ Vách hồn kỵ khí khí lửng ngăn Hình 6. Sơ đồ phân loại các hệ thống xử lý kỵ khí Quá trình xử lý kỵ khí sinh trưởng lơ lửng Quá trình sinh trưởng lơ lửng: Vi sinh vật sản sinh và phát triển trong các bơng cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học. Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạt tính cĩ vai trị phân hủy các chất hữu cơ để xây dựng tế bào mới và tạo thành sản phẩm cuối cùng là dạng khí. Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bơng cặn lắng thành bùn. - Quá trình phân hủy kỵ khí xáo trộn hồn tồn: Đây là loại bể xáo trộn liên tục, khơng tuần hồn bùn. Bể thích hợp xử lý nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ hồ tan dể phân hủy nồng độ cao hoặc xử lý bùn hữu cơ. Thiết bị xáo trộn cĩ thể dùng hệ thống cánh khuấy cơ khí hoặc tuần hồn khí biogas (địi hỏi cĩ máy nén khí biogas và phân phối khí nén). Trong quá trình phân hủy lượng sinh khối mới sinh ra và phân bố trong tồn bộ thể tích bể. Hàm lượng chất lơ lửng ở dịng ra phụ thuộc vào thành phần nước thải vào và yêu cầu xử lý.Thời gian lưu sinh khối chính là thời gian lưu nước. Thời gian lưu bùn thơng thường từ 12- 30 ngày. 38
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Tải trọng đặc trưng cho bể này là 0.5- 0.6 kgVS/m3.ngày. Do hàm lượng sinh khối trong bể thấp và thời gian lưu nước lớn nên loại bể này thích hợp và cĩ thể chịu đựng được tốt trong trường hợp cĩ độc tố hoặc khi tải trọng tăng đột ngột. - Quá trình tiếp xúc kỵ khí: quá trình này gồm 2 giai đoạn: + Phân hủy kỵ khí xáo trộn hồn tồn. + Lắng hoặc tuyển nổi tách riêng phần cặn sinh học và nước thải sau xử lý. Bùn sinh học sau khi tách được tuần hồn trở lại bể phân hủy kỵ khí. Lượng sinh khối cĩ thể kiểm sốt được, khơng phụ thuộc vào lưu lượng nước thải nên thời gian lưu bùn cĩ thể khống chế được và khơng liên quan đến thời gian lưu nước. Khi thiết kế cĩ thể chọn thời gian lưu bùn thích hợp cho phát triển sinh khối, lúc đĩ cĩ thể tăng tải trọng, giảm thời gian lưu nước, khối tích cơng trình giảm dần đến chi phí đầu tư kinh tế hơn. Hàm lượng VSS trong bể tiếp xúc kị khí dao động trong khoảng 4000 – 6000 mg/ l. Tải trọng chất hữu cơ từ 0.5 đến 10 kg COD/m3/ ngày. Thời gian lưu nước từ 12 giờ đến 5 ngày. Hệ thống lắng trọng lực phụ thuộc vào tính chất bơng bùn kị khí. Các bọt khí biogas sinh ra trong quá trình phân huỷ kỵ khí thường bám dính vào các hạt bùn làm giảm tính lắng của bùn. Để tăng cường khả năng lắng của bùn, trước khi lắng cho hỗn hợp nước và bùn đi qua bộ phận tách khí như thùng quạt giĩ, khuấy cơ khí hoặc tách khí chân khơng và cĩ thể thêm chất keo tụ đẩy nhanh quá trình tạo bơng. - UASB: bể xử lý sinh học kỵ khí dịng chảy ngược qua lớp bùn Mơ hình là cột hình trụ trịn gồm hai phần: + Phần phân huỷ. + Phần lắng. Nước thải được phân bố vào từ đáy bể và đi ngược lên qua lớp bùn sinh học cĩ mật độ vi khuẩn cao. Khí thu được trong quá trình này được thu qua phễu tách khí lắp đặt phía trên. Cần cĩ tấm hướng dịng để thu khí tập trung vào phễu khơng qua ngăn lắng. Trong bộ phận tách khí, diện tích bề mặt nước phải đủ lớn để các hạt bùn nổi do dính bám vào các bọt khí biogas tách khỏi bọt khí. Để tạo bề rộng cần thiết 39
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT cần cĩ cột chặn nước. Dọc theo mơ hình cĩ các vịi lấy mẫu (4 – 6 vịi) để đánh giá lượng bùn trong bể thơng qua thí nghiệm xác định mặt cắt bùn. UASB hoạt động tốt khi các nguyên tắc sau đạt được: + Bùn kỵ khí cĩ tính lắng tốt. + Cĩ bộ phận tách khí – rắn nhằm tránh rữa trơi bùn khỏi bể. Phần lắng ở trên cĩ thời gian lưu nước đủ lớn, phân phối và thu nước hợp lý sẽ hạn chế dịng chảy rối. Khi hạt bùn đã tách khí đến vùng lắng cĩ thể lắng xuống và trở lại ngăn phản ứng. + Hệ thống phân phối đầu vào đảm bảo tạo tiếp xúc tốt giữa nước thải và lớp bùn sinh học. Mặt khác, khí biogas sinh ra sẽ tăng cường sự xáo trộn giữa nước và bùn, vì vậy cĩ thể khơng cần thiết thiết bị khuấy cơ khí. Khi sử dụng UASB cần chú ý đến: + Bùn nuơi cấy ban đầu: nồng độ tối thiểu là 10 kg VSS/ m3. Lượng bùn cho vào khơng nên nhiều hơn 60% thể tích bể. + Nước thải: cần xem xét thành phần tính chất nước thải như hàm lượng chất hữu cơ, khả năng phân hủy sinh học của nước thải, tính đệm, nhiệt độ nước thải + Hàm lượng chất hữu cơ: COD 50000mg/l thì cần pha lỗng nước thải hoặc tuần hồn nước thải đầu ra. + Chất dinh dưỡng: nồng độ nguyên tố N, P, S tối thiểu cĩ thể tính theo biểu thức sau: (COD/Y) : N :P : S = (50/Y) : 5: 1 :1 Y là hệ số sản lượng tế bào phụ thuộc vào loại nước thải. Nước thải dễ acid hĩa Y= 0.03, khĩ acid hĩa Y= 0.15. + Hàm lượng cặn lơ lửng: nước thải cĩ hàm lượng SS lớn khơng thích hợp cho mơ hình này. SS > 3000 mg/l khĩ phân hủy sinh học sẽ lưu lại trong bể sẽ ngăn cản quá trình phân hủy nước thải. Nếu cặn cĩ thể cuốn trơi thì khơng cĩ vấn đề gì. + Nước thải chứa độc tố: UASB khơng thích hợp với loại nước thải cĩ hàm lượng amonia > 2000 mg/l hoặc hàm lượng sulphate > 500 mg/l. Khi nồng độ muối cao cũng gây ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn methane. Khi nồng độ muối nằm trong khoảng 5000 – 15000 mg/l thì cĩ thể xem là độc tố. 40
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Quá trình kỵ khí sinh trưởng bám dính Quá trình sinh trưởng dính bám: Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng dính bám hay gắn kết các vật liệu trơ như đá, xỉ, gỗ, sành sứ, chất dẻo. Quá trình này cịn gọi là màng sinh học hay màng cố định, xảy ra ở các quá trình xử lý nước thải, như lọc sinh học hoặc đĩa quay sinh học. - Lọc kỵ khí (giá thể cố định dịng chảy ngược) Bể lọc kỵ khí là cột chứa đầy vật liệu rắn trơ là giá thể cố định cho vi sinh vật kỵ khí sống bám trên bề mặt. Giá thể cĩ thể là sỏi, đá , than, vịng nhựa tổng hợp, tấm nhựa Dịng nước phân bố đều từ dưới lên, tiếp xúc với màng vi sinh bám dính trên bề mặt giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời gian lưu nước thấp, cĩ thể vận hành ở tải trọng rất cao. Các loại giá thể: + Đá hoặc sỏi thường bị bít tắc do các chất lơ lửng hoặc màng vi sinh khơng bám dính giữ lại ở những khe rỗng giữa các viên đá hoặc sỏi. + Vật liệu nhựa tổng hợp cĩ cấu trúc thống, độ rỗng cao (95%) nên vi sinh dễ bám dính và chúng thường được thay thế dần cho đá, sỏi. Tỉ lệ riêng diện tích bề mặt/ thể tích của vật liệu thơng thường dao động trong khoảng 100 – 220 m2/m3. Trong bể lọc kị khí do dịng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối nên dễ gây ra các vùng chết và dịng chảy ngắn. Để khắc phục nhược điểm này cần bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thơng qua hệ thống phân phối khí đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas. Sau thời gian vận hành dài, các chất rắn khơng bám dính gia tăng. Điều này chứng tỏ khi hàm lượng SS đầu ra tăng, hiệu quả xử lý giảm do thời gian lưu nước thực tế trong bể bị rút ngắn lại. Chất rắn khơng bám dính cĩ thể lấy ra khỏi bể bằng cách xả đáy và rữa ngược. 41
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT - Quá trình kỵ khí bám dính xuơi dịng Trong quá trình này nước thải chảy từ trên xuống qua lớp giá thể module. Giá thể này tạo nên các dịng chảy nhỏ tương đối thẳng theo hướng từ trên xuống. Đường kính dịng chảy nhỏ xấp xỉ 4 cm. Với cấu trúc này tránh được hiện tượng bít tắc và tích lũy chất rắn khơng bám dính và thích hợp cho xử lý nước thải cĩ hàm lượng SS cao. - Quá trình kỵ khí tầng giá thể lơ lửng Nước thải được bơm từ dưới lên qua lớp vật liệu lọc hạt là giá thể cho vi sinh sống bám. Vật liệu này cĩ đường kính nhỏ, vì vậy tỉ lệ diện tích bề mặt / thể tích rất lớn (cát, than hoạt tính hạt ) tạo sinh khối bám dính lớn. Dịng ra được tuần hồn trở lại để tạo vận tốc nước đi lên đủ lớn cho lớp vật liệu hạt ở dạng lơ lửng, giản nỡ khoảng 15 – 30% hoặc lớn hơn. Hàm lượng sinh khối trong bể cĩ thể tăng lên đến 10000 – 40000 mg/l. Do lượng sinh khối lớn và thời gian lưu nước quá nhỏ nên quá trình này cĩ thể ứng dụng xử lý nước thải cĩ nồng độ chất hữu cơ thấp như nước sinh hoạt. 4.1.3. Động học cho quá trình kỵ khí. Tương tự quá trình hiếu khí, động học quá trình giữ vai trị chủ đạo trong phát triển và vận hành hệ thống xử lý kỵ khí nước thải. Dựa vào kiến thức hố sinh và vi sinh của quá trình kỵ khí, động học cung cấp cơ sở hợp lý để phân tích kiểm sốt và thiết kế quá trình. Mặt khác, động học cũng liên quan đến các yếu tố mơi trường vận hành ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy hoặc sử dụng chất thải. Quá trình xử lý sinh học được mơ tả bằng các cơng thức tốn học dựa trên lý thuyết quá trình nuơi cấy vi sinh liên tục. Động học sinh trưởng vi sinh căn cứ vào mối quan hệ cơ bản: tốc độ sinh trưởng và tốc độ sử dụng cơ chất. Nhiều mơ hình tốn học khác nhau như Monod, Moser, Contois, Graus thể hiện sự ảnh hưởng hàm lượng cơ chất giới hạn sinh trưởng đối với tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. 42
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Bảng 5 – Mơ hình động học sử dụng quá trình xử lý kỵ khí Bậc nhất kS dS S0 μ = − kd − = kS S = S0 − S dt 1+ kθc Grau và cộng sự μm S dS μm XS S0 ()1+ kdθ c μ = − kd − = S = S0 dt YS0 μmθ c Monod μ S μ = m − k d dS μm XS S0 ()1+ kdθc Ks + S − = S = dt Y()Ks + S θc ()μm − kd −1 Contois μ S m μ = − k d dS μ XS BYS ()1+ k θ BX + S − = m S = 0 d c dt Y()BX + S BY()()1+ k θ +θ μ −k −1 d c c m d Chen & Hashimoto μ S μ = m − k d dS μm XS KS0 ()1+ kdθc KS0 + ()1− K S − = S = dt ()KX +YS ()()K −1 1+ kdθc + μmθc Trong đĩ: μ - Tốc độ sinh trưởng riêng 1/ thời gian μm – tốc độ sinh trưởng riêng tối đa, 1/thời gian S – Hàm lượng cơ chất giới hạn sinh trưởng trong dung dịch, khối lượng/thể tích. ks – Hằng số bán vận tốc, hàm lượng cơ chất ở tốc độ sinh trưởng, khối lượng/ thể tích. rg - Tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn, khối lượng/ thể tích/ thời gian. Y – Hệ số sản lượng tế bào, mg/mg ( tỉ số khối lượng tế bào hình thành/ khối lượng cơ chất sử dụng, được xác định trong bất cứ thời gian của phalogarithmic) 43
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT rsu – tốc độ sử dụng cơ chất, khối lượng/ thể tích/ thời gian. k – Hệ số sử dụng cơ chất tối đa. Vr – Thể tích bể aerotank, thể tích. θc – Thời gian lưu bùn, thời gian. kd – Hệ số phân hủy nội bào, 1/ thời gian. 4.2. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ. 4.2.1. Định nghĩa. Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hĩa các chất hữu cơ trong điều kiện cĩ oxy. - Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn: - Ơxy hĩa các chất hữu cơ: Enzyme CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ΔH - Tổng hợp tế bào mới: Enzyme CxHyOz + O2 + NH3 → Tế bào vi khuẩn (C5H7NO2)+ CO2 + H2O - ΔH - Phân hủy nội bào: Enzyme C5H7O2 + O2 → 5 CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH Trong 3 loại phản ứng ΔH là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào. Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy hĩa. 44
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 4.2.2. Phân loại. Aerotank Sinh trưởng Hiếu khí lơ lửng tiếp xúc Xử lý sinh học theo mẻ Cơng nghệ Hồ sinh học hiếu khí hiếu khí Lọc hiếu khí Sinh trưởng Lọc sinh dính bám học nhị giọt Đĩa quay sinh học Hình 7. Sơ đồ phân loại các cơng nghệ xử lý hiếu khí Quá trình hiếu khí sinh trưởng lơ lửng - Aerotank: là cơng trình xử lý nước thải cĩ dạng bể được thực hiện nhờ bùn hoạt tính và cấp oxy bằng khí nén hoặc làm thống, khuấy đảo liên tục. Với điều kiện như vậy, bùn được phát triển ở trạng thái lơ lửng và hiệu suất phân hủy (oxy hĩa) các hợp chất hữu cơ là khá cao. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật cĩ trong nước thải, hình thành những bơng cặn cĩ khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi cĩ mặt oxy. Bảng 6 – Vi khuẩn tồn tại trong quá trình bùn hoạt tính Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phần nitrat hĩa Arthrobacter Phân huỷ hidratcacbon Bacillus Phân hủy hidratcacbon, protein 45
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Cytophaga Phân hủy các polyme Zooglea Tạo thành chất nhầy( polysacarit), hình thành chất keo tụ Acinetobacter Tích lũy polyphosphat, phản nitrat Nitrosomonas Nitrit hĩa Nitrobacter Nitrat hĩa Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao Alcaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hĩa Flavobacterium Phân hủy protein Nitrococcus dennitrificans Thiobacillus Phản nitrat hĩa( khử nitrat thành N2 denitrig\ficans Acinetobacter Hyphomicrobium Khử sulfat, khử nitrat Desulfovibrio Ứng dụng bùn hoạt tính cần chú ý đến các điểm sau: + Cân bằng dinh dưỡng cho mơi trường lỏng theo tỉ lệ: BOD5 : P :N : bình thường là 100: 5 :1, xử lý kéo dài 200: 5: 1. + Chỉ số thể tích bùn SVI: là số ml nước thải đang xử lý lắng được 1 gam bùn trong 30 phút và được tính: V .1000 SVI = MorMLSS + Chỉ số MLSS: chất rắn tổng hợp trong chất lỏng, rắn, huyền phù, gồm bùn hoạt tính và chất lơ lửng cịn lại chưa được vi sinh kết bơng. V là thể tích bùn lắng. M là số gam bùn khơ (khơng tro). + Bể hiếu khí tiếp xúc. + Bể xử lý sinh học theo mẻ. Quá trình hiếu khí sinh trưởng dính bám - Lọc hiếu khí: 46
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Hoạt động nhờ quá trình dính bám của một số vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu giá thể. Do quá trình dính bám tốt nên lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài nên cĩ thể xử lý ở tải trọng cao. Tuy nhiên, hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triển nhanh chĩng của vi sinh hiếu khí nên thời gian hoạt động dễ bị hạn chế. - Lọc sinh học nhỏ giọt: Là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc khơng ngập trong nước. Các vật liệu lọc cĩ độ rỗng và diện tích tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện cĩ thể. Nước đến lớp vật liệu chia thành các dịng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ cĩ trong nước. - Đĩa quay sinh học: Gồm hàng loạt đĩa trịn, phẳng được lắp trên một trục. Các đĩa này được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm khi làm việc. Khi quay màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ cĩ trong nước thải và sau đĩ tiếp xúc với oxy khi ra khỏi đĩa. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa được tiếp xúc được với khơng khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải. Vì vậy, chất hữu cơ được phân hủy nhanh. 4.2.3. Động học của quá trình xử lý sinh học. Sinh trưởng tế bào Nuơi cấy vi sinh vật theo từng mẻ hay theo dịng liên tục tốc độ tăng trưởng tế bào vi sinh vật cĩ thể biểu diễn theo cơng thức: rg = μX Trong đĩ: 3 rg – tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật (g/m .giây) μ - tốc độ sinh trưởng riêng (giây-1) X - Nồng độ vi sinh vật (hay nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3 = mg/l). Cơ chất sinh trưởng giới hạn Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn đến sinh trưởng của vi sinh vật trong nuơi cấy liên tục cĩ thể tính theo cơng thức của Monod đề xuất 47
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT trong các năm 1942 và năm 1949 dựa trên phương trình cơ bản về động học enzyme của Michaelis – Menten: S μ = μm ks + S Trong đĩ: μ - Tốc độ sinh trưởng riêng (giây-1). -1 μm – Tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (giây ). S – Nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích). ks – hằng số tương ứng với ½ tốc độ cực đại, thể hiện sự ảnh hưởng của cơ chất ở thời điểm đạt ½ tốc độ cực đại (g/m3, mg/l). Cơng thức tính tốc độ sinh trưởng: μm .X.S rg = ks + S m μ Max ( tốc độ cực đại) μ m g n ở ư μ m sinh tr ộ 2 đ c ố T ks Nồng độ cơ chất giới hạn ( S) Hình 8. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất giới hạn tới tốc độ sinh trưởng Sinh trưởng tế bào và sử dụng cơ chất: Quan hệ giữa tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng: rg = −Y.rsu Trong đĩ: 3 rg : tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (g/m .giây) 48
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Y – hệ số sử dụng cơ chất tối đa: tỉ lệ giữa sinh khối và khối lượng cơ chất được tiêu thụ trong một thời gian nhất định trong pha sinh trưởng logarit. 3 rsu – Tốc độ sử dụng chất nền (g/m .giây). Từ hai phương trình trên ta cĩ: μm .X.S rsu = − Y.()ks + S μ với k = m Y k.X.S Ta sẽ cĩ rsu = − ks + S Trong đĩ: rsu là tốc độ sử dụng cơ chất tính cho một đơn vị khối lượng làm hoạt tính trong một đơn vị thời gian. Ảnh hưởng của trao đổi chất nội sinh Quá trình phân hủy nội bào được diễn tả như sau: 2 C5H5O2N + 9 O2 → 10 CO2 + 2 H2O + NH3 + Q Từ phương trình này ta thấy COD cần cho oxy hĩa hồn tồn tế bào sẽ bằng nồng độ tế bào×1.42. Cơng thức là: rd = − k d X Trong đĩ: -1 kd- hệ số phân hủy nội bào( giây ) X- Nồng độ tế bào( nồng độ bùn hoạt tính)( g/m3) Như vậy cần phải kết hợp quá trình sinh trưởng và phân hủy nội bào, để tính tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào: ' μm XS rg = − kd .X ks + S ' rg = −Yrsu − kd .X ’ -1 Trong đĩ: r g - tốc độ sinh trưởng thực của quần thể vi sinh vật (giây ) Tốc độ sinh trưởng riêng thực của vi sinh vật theo cơng thức của Van Uden ' S μ = μm − kd ks + S 49
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Tốc độ sinh khối tính theo cơng thức: ' rg Yb = − rsu Ảnh hưởng của nhiệt độ: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng của quá trình sinh học thường được thể hiện bằng cơng thức: (T−20) rT =r20θ Trong đĩ: 0 rT – tốc độ phản ứng ở T C 0 r20 – tốc độ phản ứng ở 20 C θ - hệ số hoạt động do nhiệt độ 4.3. MÀNG SINH HỌC. Quá trình vi sinh dính bám là một trong những quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, xỉ, sành, sứ, nhựa 4.3.1. Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật. Cấu tạo màng vi sinh vật Từ khi phương pháp màng vi sinh được chú ý tới là một trong các biện pháp sinh học để xử lý nước thải, đã cĩ nhiều nguyên cứu về cấu trúc của màng vi sinh vật. Theo thời gian và sự phát triển của cơng cụ nghiên cứu, cấu trúc của màng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mơ hình hĩa những quá trình sinh học xảy ra bên trong màng. Màng vi sinh vật cĩ cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm: - Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than với nhiều kích cỡ khác nhau) cĩ bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh vật. - Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film). 50
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT MÀNG MÀNG NỀN BỀ MẶT SUBTRATUM SUBTRATUM Màng vi sinh Ch ất lỏng Khí vật Hình 9. Hệ màng vi sinh theo khái niệm cơ bản Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất, quá trính tiêu hủy tế bào và do cĩ sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins. Trước đây, hầu hết các mơ hình tốn về màng vi sinh thường khơng quan tâm đúng tới vai trị của lớp màng bề mặt, mà chỉ chú ý tới lớp màng nền. Nhờ sự phát triển của các cơng cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần được xác định. Phát hiện mới cho thấy rằng màng vi sinh là một cấu trúc khơng đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trện polymer ngoại tế bào, trong màng vi sinh vật tồn tại những khoảng trống giữa các cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này cĩ vai trị như những lổ rỗng theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh khơng đồng nhất. Sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngồi vào màng và giữa các vùng bên trong màng khơng chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ chất lỏng cĩ thể lưu chuyển 51
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT qua những lổ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu, quá trình khuếch tán và thẩm thấu đem vật chất đến cụm sinh khối và quá trình khuếch tán cĩ thể xảy ra theo mọi hướng ở trong đĩ. Do đĩ, hệ số khuếch tán hiệu quả mơ tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất oxy hố giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, do vậy quan điểm cho rằng hằng số khuếch tán là một hằng số là khơng hợp lý. Phân tích theo chuẩn loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật cịn cĩ thể chia thành hai lớp: lớp màng kị khí bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngồi (hình 2.5). Trong màng vi sinh luơn tồn tại dồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hồ tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngồi trở thành hiếu khí, cịn lớp màng bên trong khơng tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kị khí. Màng vi sinh vật Nước thải Kị khí Hiếukhí Lớp màng hiệu BOD H2S Mediu NH4 Acid hữu O - NO3 Hình10. Cấu tạo màng vi sinh vật Hoạt động của lớp màng - Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng) từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đĩ chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế 52
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc cĩ phân tử khối lớn khơng thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng cĩ phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đĩ mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của màng trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mơ tả theo cơng thức sau: + Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối + Màng kỵ khí: Chất hữu cơ + nguyên tố vết → sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật, khơng chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh. Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra khơng đều. Nếu một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đĩ của màng vi sinh vật, tại đĩ những phản ứng sinh học cĩ liên quan đến cơ chất này sẽ khơng xảy ra, và cơ chất này được gọi là cơ chất giới hạn quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ đĩ. Các nguyên tố vết như nitơ, photpho và kim loại vi lượng nếu khơng cĩ đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. Khi đĩ lớp màng bị trĩc ra tạo điều kiện hình thành lớp màng mới. - Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thối của màng vi sinh vật Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất cĩ trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình sinh trưởng dính bám trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn. + Giai đoạn thứ nhất: cĩ dạng logarit, khi màng vi sinh vật cịn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả các vi sinh phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng. 53
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT + Giai đoạn thứ hai: độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày lớp màng hiệu quả. Trong giai đoạn thứ nhất tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả khơng thay đổi bất chấp sự thay đổi của tồn bộ lớp màng trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự thay đổi chất của vi sinh vật và khơng cĩ sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ cĩ sự thay sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa các cơ chất và sinh khối. Trong giai đoạn thứ ba: bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đĩ tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trơi bởi lực cắt của dịng chảy. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng. Lúc đầu hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đĩ là protozoas, tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ số lượng vi sinh vật sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng Bacteria vi sinh vật làm giảm lượng bùn Protozo algae dư. Tuy nhiên, Metazo trong điều kiện ngày mơi trường nào Hình 11. Mơ tả vi sinh vật trong màng đĩ, chẳng hạn nhiệt độ nước hay chất lượng nước thuận lợi cho metazoas phát triển quá mạnh sẽ ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng đến khả năng làm sạch của nước. Nghiên cứu của Inamori cho thấy cĩ hai lồi thực dưỡng sống trong màng vi sinh. Một lồi ăn vi khuẩn lơ lửng và thải chất kết dính. Kết quả làm tăng tốc độ làm sạch nước. Lồi kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh do đĩ thúc đẩy sự phân tán sinh khối. Nếu hai lồi này cĩ sự cân bằng hợp lí thì hiệu quả khống hố chất hữu cơ và làm sạch nước thải sẽ cao. 54
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 4.3.2. Những đặc tính sinh học. Sinh khối trong thiết bị xử lý và đa dạng sinh học Sinh khối trong thiết bị xử lý ứng dụng trong màng vi sinh khá lớn. Nồng độ sinh khối khoảng 20 – 40 kg/m3 trong thiết bị lọc tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3 trong thiết bị ngập nước và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt. Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn. Thương số tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hằng ngày (ΔS) cho ta thời gian lưu bùn (hay tuổi của bùn): S As = ΔS Tuổi của bùn As cho ta biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý. Trong trạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống. Trong hệ thống như vậy sự thay đổi số lượng của một lồi vi sinh vật (n) trong bùn sinh học được cho bởi phương trình: dn n ⎛ 1 ⎞ = μn − = ⎜ μ − ⎟n dt As ⎝ As ⎠ Trong đĩ: μ: tốc độ phát triển xác định của vi sinh vật. t: thời gian. Từ phương trình trên cho thấy, nếu μ < 1/As, n sẽ giảm theo thời gian tới khi lồi đĩ biến mất. Nĩi cách khác, đối với những lồi vi sinh vật với tốc độ phát triển nhỏ, để cĩ thể phát triển thì tuổi bùn hay thời gian lưu bùn As phải đủ lớn. Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn, và lượng bùn dư nhỏ thì As sẽ rất lớn. Do đĩ, số lượng lồi vi sinh vật trở nên phong phú và vi sinh vật chiếm vai trị cao hơn trong chuỗi thức ăn. Lồi metozoas chiếm (rotatoria, nematoda, insecta, insecta, shellfish, oligochaeta ) cĩ kích thước lớn, với chiều dài từ vài mm đến vài cm, lấy thức ăn là màng vi sinh vật do đĩ làm giảm lượng bùn dư. Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh đa dạng cao là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định. Những lồi vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hĩa chậm hay cơ chất cĩ giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ cĩ tốc độ phát triển 55
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT nhỏ tương ứng. Như vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất. Sự tồn tại của vi sinh vật hiếu khí và kị khí trong màng vi sinh vật. Màng vi sinh vật luơn cĩ lồi kỵ khí dù ít hay nhiều ngay cả trong quá trình hiếu khí. Thường lớp ngồi cùng của màng vi sinh là lớp hiếu khí, bên trong là lớp kỵ khí. Bề dày của lớp hiếu khí khơng thay đổi trong một điều kiện hoạt động nhất định, khi bề dày của lớp hiếu khí tăng theo tốc độ phát triển của vi sinh vật, phía trong của lớp hiếu khí sẽ chuyển thành kỵ khí vì thiếu oxy. Một trong những vai trị của kỵ khí là hĩa lỏng những chất rắn do màng sinh ra, gĩp phần làm N- NH3 giảm lượng bùn dư. Sự tồn tại đồng thời của hai N- NO3 lớp màng hiếu khí và kị khí cĩ khả năng loại bỏ K khí Hiu khí nitơ trong nước thải, bởi vì đồng Hình 12. Mơ tả nồng độ N-NH3 và N- NO3 thời xảy ra quá trình nitrat hĩa và khử nitrate. Theo đĩ lớp hiếu khí đĩng vai trị nitrate hĩa và lớp kị khí đĩng vai trị khử nitrate. Một phần nitrate sản sinh ra trong lớp hiếu khí đi ra chất lỏng, phần cịn lại bị lớp kị khí chuyển thành N2. Khi nồng độ oxy hồ tan cao, bề dày lớp hiếu khí lớn thì quá trình nitrate hĩa nhanh và mạnh hơn, nhưng tỉ lệ khử nitrate giảm vì bề dày của màng kị khí giảm đi. Ngược lại, nếu nồng độ oxy hịa tan trong nước quá thấp thì khả năng khử nitrate lớn nhưng khả năng nitrate hĩa bị giảm. Do đĩ, lượng oxy hồ tan tối ưu trong nước thải sẽ cho khả năng loại bỏ nitơ tốt nhất. Do vậy, cần phải cĩ sự sục khí thích hợp để cho cĩ sự loại bỏ nitơ lớn nhất. 56
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT 4.3.3. Những đặc tính sinh học về sự loại bỏ cơ chất. Những đặc tính về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng sinh học khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng bùn hoạt tính. Sự khác biệt chủ yếu ở hai quan điểm: Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi hai yếu tố là sự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng. Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới một giá trị đủ lớn. Quá trình khuếch tán là một quá trình hĩa lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay sự tiêu thụ cơ chất. Trong quá trình màng vi sinh vật sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ thường ít hơn so với trong quá trình vi sinh vật lơ lửng, khả năng xử lý là ổn định hơn. Quan điểm thứ hai quan tâm đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán. Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hịa trộn với vi sinh vật, được tiêu thụ và trao đổi ngay lập tức. Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất lơ lửng hầu như khơng thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn khối lượng phân tử lên tới hàng ngàn đơn vị C nhỏ hơn nhiều những hợp chất cĩ khối lượng phân tử nhỏ. Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng và trước khi cĩ thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân giải được diễn ra trước để bẻ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. 4.3.4. Những đặc tính ưu và nhược điểm của màng. 4.3.4.1. Ưu điểm. Về vận hành hoạt động thiết bị xử lý. Ưu điểm quan trọng nhất của quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý. Việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính địi hỏi duy trì ổn các thơng số như nồng độ vào ổn định, khả năng lắng của bùn, tuần hồn bùn và loại bỏ bùn dư Đặc biệt khi sự phát triển quá mức của vi khuẩn Filamentous như Sphaelotilus natans, Beggiatoa làm giảm khả năng lắng của bùn và gây khĩ khăn trong việc vận hành hệ thống. Trong quá trình vi sinh dính bám những điều kiện vận hành như trên hầu như khơng cần thiết quan tâm đến. 57
Vai trị của Cơng nghệ sinh học trong xử lý nước thải Nhĩm 1 – DH07MT Trong khi đĩ bể lắng sau bể Aeroten cịn nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn trong bể bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ cĩ tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học (lớp màng bị bong ra trong nước thải sau khi qua thiết bị xử lý bằng màng) mà khơng ảnh hưởng gì tới hoạt động của màng vi sinh vật. Do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh dài nên lượng bùn dư sinh ra ít, do vậy sẽ làm giảm sự phức tạp trong quá trình vận hành cũng như làm cho hệ thống xử lý ít cơng trình đơn vị hơn. Tuy vậy, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng hoạt động của hệ thống thấp. Với bùn hoạt tính cĩ thể điều chỉnh lượng nồng độ bùn trong bể bằng cách điều chỉnh lượng bùn tuần hồn trong bể lắng, hay muốn tăng khả năng loại bỏ nitơ cĩ thể tăng thời gian lưu bùn, nĩi chung cĩ thể điều khiển các thơng số để đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải trong bùn hoạt tính. Trái lại với màng vi sinh vật khơng thể điều chỉnh chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì khơng cĩ một phương pháp hiệu quả nào được tìm thấy nhằm điều khiển quá trình này. Cĩ thể nĩi rằng thơng số cĩ thể điều khiển hệ thống màng vi sinh vật chỉ cĩ chất lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (hiếu khí). Khởi động nhanh Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động tối thiểu một tháng để đạt được hiệu quả ổn định và thơng thường là 2 tháng. So với màng vi sinh vật thì thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với thiết bị lọc sinh học ngập nước và thiết bị tiếp xúc quay và cần thời gian dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh ngắn hơn là do hầu hết sinh khối sinh ra đều tích lũy lại mà khơng bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động khi màng vi sinh cịn mỏng. Nhờ vậy việc khơi phục và vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một lí do nào đĩ. Quá trình cũng chịu đựơc sự thay đổi bất thường về tải trọng hữu cơ. Khả năng loại bỏ những chất cơ chất phân hủy chậm Cĩ hai quan điểm giải thích về khả năng loại bỏ những cơ chất phân hủy chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chất cĩ chứa các loại chất hữu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA) , Linear Alkylbenzen Sulfonate (LAS), lignin, các hợp chất hữu cơ cĩ gốc clo hay các chất vơ cơ như nitrate, cyanide Những hợp chất 58