Đồ án Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

n thuỷ phân Các nhóm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và có khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhóm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất. Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật có thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hoà tan, có cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này có thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đó, một số chất nền phức tạp khác là những chất không tan được hoặc ít tan, có cấu trúc phức tạp và không thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới có thể được vi sinh vật phân giải. Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, có khả năng phân huỷ các chất ít tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân có khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất có phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài. Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các công trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hoà tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ có thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hoà tan mà thôi. Thứ hai, trong bất kỳ công trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số lượng nhất định các vi khuẩn bị chết và giai đoạn thuỷ phân sẽ hoà tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đó, do vậy tránh được sự tích luỹ các tế bào (chết) này. Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau: Tính đa dạng về loài của các vi khuẩn và enzyme tương ứng. Số lượng enzyme tiết ra có đủ hay không. Các điều kiện vận hành có nằm trong khả năng cho phép hay không. Cấu trúc phân tử của chất nền. Các chất nền có độ hoà tan cao và cấu trúc đơn giản được thuỷ phân trước. Ví dụ, đường là chất được phân giải trước vì các điều kiện sau: Tất cả các ezyme xúc tác cần thiết đã có sẵn trong môi trường. Tốc độ phản ứng sinh hoá nhanh. Điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn. Các chất như kitin, chất béo được thuỷ phân chậm hơn. Vi sinh vật thuỷ phân tinh bột Trong nước thải có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng thuỷ phân tinh bột. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amilaza như một số loại nấm thuộc chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus, Actinomyces… Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Azotobacter… Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân huỷ tinh bột. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài men trong hệ đó. Ví dụ như các loài Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum… chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzyme α – amilaza. Các loài Aspegillus oryzae, Clostridium acetobutilicum… chỉ tiết ra môi trường β – amilaza. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzyme glucoamilaza. Các nhóm này liên kết với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. Giống Pseudomonas là những trực khuẩn gram âm, chuyển động do có tiên mao mọc ở một đầu. Trực khuẩn có thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, không tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí. Nhiều loài của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thích là 20 – 25oC. Tất cả Pseudomonas đều có hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo màng nhầy, pH môi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5 – 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ. Vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân huỷ được nhiều dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột. Là trực khuẩn rất phổ biến trong tự nhiên, hay gặp nhất là Bacillus subtilis (trực khuẩn khoai tây) và Bacillus mesentericus (trực khuẩn cỏ khô). Chúng có hình que, gram dương, sinh bào tử đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi, là giống sinh bào tử, sống hiếu khí hoặc kỵ khí tuỳ tiện, thường sinh enzyme proteaza và amilaza. Hai loài Bacillus này tăng trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 50oC có nhiệt độ sinh trưởng thích hợp là 35 – 45oC. Ở môi trường có pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển. Vi sinh vật thuỷ phân protein Muốn phân giải protein, cũng giống như các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các men phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hoá protein thành các hợp chất có phần tử nhỏ hơn (các polypeptide, olygopeptid). Các chất này tiếp tục được phân huỷ thành acid amin nhờ các men peptidaza ngoại bào. Có rất nhiều loài vi sinh vật tham gia phân huỷ protein, trong đó đáng chú ý là các loài sau: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B. subtilis, B.cereus, B. megaterium, Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Alcaligenes, Flavobacterium … Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae, A. flavus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium… Vi sinh vật thuỷ phân lipid Lipid (este phức tạp của glycerin và acid béo) được nhiều loài vi khuẩn sử dụng. So với các cơ chất khác thì đây là cơ chất được thuỷ phân với tốc độ chậm. Bước đầu tiên để phân huỷ lipid là phân giải chúng thành glycerin và các acid béo được xúc tác nhờ enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào. Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các loài sau: Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, Micrococus… Vibrio là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện, phần lớn thuộc gram âm, hình dạng thuộc phảy khuẩn, có khả năng di động nhanh và không tạo bào tử. Serratina tế bào có hình cầu phân cách theo 3 mặt phẳng trực giao với nhau tạo thành những khối từ 8 - 16 tế bào (hoặc nhiều hơn nữa), không có khả năng di động và không sinh bào tử. 4.3.2 Các nhóm vi sinh vật oxy hoá cơ chất Một số vi sinh vật vừa đảm nhiệm chức năng thuỷ phân cơ chất đồng thời oxy hoá cơ chất. Trong khi đó, một số nhóm vi sinh vật khác chỉ có thể oxy hoá cơ chất mà thôi. Vi sinh vật oxy hoá đường đơn Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân huỷ triệt để các loại đường đơn thành CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Các loài vi khuẩn điển hình có khả năng oxy hoá các loại đường đơn là Sphaerotilus natans, S. discophorous, Azotobacter, Beijerinckia, và một số chủng Bacillus như Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, Bacillus mycoides… - Sphaerotilus natans là vi khuẩn Gram âm, không sinh bào tử, hình que, kích thước khoảng 4 – 10 μm, bên ngoài có vỏ bọc dày. Vỏ là phức protein – polysaccharide – lipid được bao bọc xung quanh tế bào được cấu tạo từ polysaccharide đơn giản hơn với thành phần chất dinh dưỡng không ổn định. - Azotobacter có tế bào từ hình que tới hình cầu, khi còn non tế bào có hình que với kích thước khoảng 2 – 7 μm, di động nhờ tiên mao mọc khắp cơ thể, khi già tế bào mất khả năng di động, kích thước thu nhỏ lại như hình tròn, là loài ưa mặn. Chúng có khả năng vừa thuỷ phân tinh bột đồng thời oxy hoá các loại đường đơn. Vi sinh vật oxy hoá amino acid Quá trình phân giải amino acid chỉ cung cấp một phần nhỏ năng lượng. Để oxy hoá các amino acid trước hết phải làm mất nhóm NH2, sản phẩm của quá trình oxy hoá này là CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Do đó, về tổng thể quá trình phân giải amino acid không khác quá trình phân giải glucose và acid béo, chỉ khác là amino acid có chứa nhóm NH2. Sau quá trình oxy hoá các amino acid, NH2 bị khử thành NH3 hoặc NH4+ nhờ nhóm vi khuẩn amin hoá. Sau đó, NH4+ bị oxy hoá thành NO2- nhờ nhóm vi khuẩn nitrit hoá. Cuối cùng, NO2- tiếp tục bị oxy hó thành NO3- nhờ vi khuẩn nitrate hoá. Các loài vi sinh vật có khả năng oxy hoá các amino acid điển hình như: Leuconostoc citrovorum, Staphylococus, Lactobacterium casei, Streptococus fuecalis, Arozobacter, Beijerinckia, Bacillus faecalis, Proteus zenkerii … Beijerinckia là loài vi khuẩn hiếu khí, tế bào có hình dạng không ổn định, thuộc vi khuẩn Gram âm,không sinh bào tử, là loài có khả năng chịu được trong môi trường có độ chua cao. Chúng có khả năng thuỷ phân tinh bột và oxy hoá các acid amin cao. Streptococcus là vi khuẩn hiếu khí, tế bào có dạng hình cầu, chúng phân cách theo một mặt phẳng xác định và dính với nhau thành từng chuỗi một dài, thuộc vi khuẩn Gram dương. Không có khả năng di động và không sinh bào tử. Chúng có khả năng thuỷ phân protein, đồng thời có khả năng oxy hoá các amino acid. Các vi khuẩn nitrate hoá điển hình là các loài: - Nhóm vi khuẩn nitrit hoá bao gồm 4 chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus và Nitrosospira. Chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch nên phải dùng silicagel khi phân lập. - Nhóm vi khuẩn nitrate hoá bao gồm 3 chi khác nhau: Nitrrobacter, Nitrospira và Nitrococcus. Ngoài ra, còn có một số loài vi khuẩn và xạ khuẩn thuộc các chi Pseudomonas, Cyronebacterium, Streptomyces… Vi sinh vật oxy hoá các acid béo Việc phân huỷ các acid béo được thực hiện nhờ quá trình oxy hoá. Acid béo dưới sự xúc tác của enzyme axyl – CoA – cintetaza, CoA và ATP sẽ được hoạt hoá và tạo thành Acyl – CoA chứa các liên kết cao năng. Sau đó chất trung gian này được tiếp tục phân giải qua các bước oxy hoá,cứ qua một bước oxy hoá hoàn toàn chuỗi phân tử của acid béo lại mất đi 2 cacbon, cuối cùng toàn bộ chuỗi cacbon bị chuyển hoá thành acetyl – CoA. Chất này tiếp tục được oxy hoá thông qua chu trình Krebs để tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Nhiều loại nấm mốc thuộc các chi Penicillium và Aspergillus và các loài nấm Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducturm có thể oxy hoá acid béo một cách triệt để tạo thành CO2 và H2O. 4.3.3 Một số vi sinh vật chỉ thị trong các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí Trùng biến hình (trùng chân giả) Đặc điểm: Hình dạng rất phong phú, kích thước từ 10 - 200μm và di chuyển bằng chân giả. Một số loài có vỏ cứng, trên có các vân như hoa văn nên người ta gọi là trùng biến hình có vỏ, ví dụ như Arcella thường gặp trong bùn hoạt tính. Vai trò: Trùng biến hình phát triển mạnh dựa trên một số loại vật chất hữu cơ đặc thù và có khả năng chịu được những môi trường có oxi hoà tan thấp. Do đó một sự nở rộ các loài trùng biến hình có thể chỉ thị trong nước thải có một lượng lớn các vật chất hữu cơ dạng tinh bột (như nước thải giấy, bột giấy), men (nước thải bia) và chất gây thối (nước thải đô thị). Trùng roi Đặc điểm: Có kích thước nhỏ từ 5 - 20μm, có hình oval hoặc dạng thon dài, di chuyển và có thể di chuyển rất nhanh nhờ một hoặc nhiều roi dài, khi di chuyển thường rung cơ thể. Vai trò: đã quan sát thấy nhiều loài trùng roi trong hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí ưa sử dụng các chất hữu cơ hoà tan, do đó sự hiện diện của chúng có thể chỉ thị cho nồng độ cao của BOD trong nước. Nhiều loài trong số chúng có thể hiện diện ở điều kiện oxy hoà tan thấp và tải trọng hữu cơ cao. Trùng tiên mao (trùng cỏ, trích trùng, mao trùng). + Nhóm bơi tự do và nhóm bò: Đặc điểm: có dạng hình oval, kích thước từ 20 - 400μm, chuyển động rất linh hoạt nhờ các hàng tiên mao trông như lông tơ. Đối với nhóm bò, các tiên mao của chúng gắn vào một mặt của cơ thể giúp chúng có thể bò trên bề mặt của các bông bùn hoạt tính. Vai trò: hai nhóm này thường được tìm thấy trong những điều kiện bông bùn hình thành tốt và nói chung là có thể chỉ thị cho hoạt động của bùn hoạt tính đạt hiệu quả tốt. Trùng cỏ rất nhạy cảm và sự có mặt hay vắng mặt của chúng có thể chỉ thị cho các chất độc hại trong môi trường. + Nhóm có cuốn: Đặc điểm: chúng xuất hiện dưới những điều kiện gần với các nhóm bơi tự do. Thường được nhìn thấy thân cắm vào bông bùn, thân thẳng hoặc co rút để bắt thức ăn, đầu có hình chuông hoặc hình hoa tulip, miệng há to ra và vươn ra môi trường bắt mồi, trên miệng của chúng cũng có một hàng tiên mao giúp chúng bắt thức ăn. Một số loài có cuống chỉ có một chuông trên một thân như Vorticella spp trong khi các loài khác có thể có nhiều cá thể trên cùng một thân như Epistylis spp và Opercularia spp. Vai trò: trùng cỏ có cuống thường xuất hiện ở tải trọng thấp (thời gian lưu bùn cao). Mỗi loài đơn lẻ có thể chỉ thị cho một khoảng thời gian lưu bùn khác nhau. Các dạng đám chuông thường xuất hiện ở thời gian lưu bùn cao. Hơn thế nữa trùng tiên mao có cuống đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ Escheria coli từ nước thải. Vorticella là trùng có cuống, có ít nhất 12 loài được tìm thấy trong hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí. Những vi sinh vật này có hình oval hoặc tròn, có cuống, có thể co rút lại, một đầu có vòm lấy thức ăn và một hốc nhỏ lấy nước gần cuối lỗ lấy thức ăn. Nếu điều kiện quá trình xử lý xấu như DO thấp hay có độc chất, Vorticella sẽ bỏ cuống của chúng. Do đó một cụm không có cuống sẽ chỉ thị trạng thái nghèo cơ chất của hệ thống bùn hoạt tính. Một số loài như V. microtome chỉ khối lượng chất hữu cơ cao và chất lượng dòng nước giảm. Paramecium là trùng cuốn bơi tự do thường thấy trong bùn hoạt tính. Paramecium loại bỏ vi khuẩn khỏi nước thải, loài này thường có trong điều kiện môi trường với chất lượng dòng nước như sau: BOD : 0 – 30mg/l. NH3: 0 – 20 mg/l P. aurelia đượctìm thấy chỉ khi nước thải có BOD dưới 10 mg/l. P.trichium được tìm thấy khoảng 40% khi BOD dưới 10 mg/l, 30% khi BOD khoảng 10 - 20 mg/l, 20% khi BOD khoảng 21 – 30%, 10% khi BOD > 30 mg/l. Vì thế P. aurelia chỉ thị chất lượng dòng nước tốt còn P. trichium không phải là chất chỉ thị tốt cho dòng chảy vì nó được tìm thấy trong khoảng BOD rộng. Trùng bánh xe Đặc điểm: có kích thước lớn hơn các loài trên khoảng 50 - 500μm và có hình dạng rất phong phú. Ngoài ra, chúng còn có các loại cấu trúc phức tạp hơn nguyên sinh động vật, hầu hết chúng có khả năng di động và thường bám vào các bông bùn hoạt tính nhờ chân co rút. Vai trò: trùng bánh xe có mặt ở nhiều thời gian lưu bùn khác nhau, một số loài có thể chỉ thị cho thời gian lưu bùn cao. Euchlanis là loài bơi được, chúng sử dụng chân và tiên mao để di động, nói chung Euchlanis được tìm thấy trong bùn hoạt tính khi chất lượng dòng nước tốt, nó đòi hỏi cung cấp DO thường xuyên. Các loài không xương sống cấp cao hơn Đặc điểm: nhóm này gồm bộ giun tròn, các loài đi chậm như Macrobiotus, lớp chân bụng như Nails sp và giun đốt Aeleosoma sp. Loài Aeleosoma sp thường được nhìn thấy trong bùn hoạt tính với hình dạng khổng lồ khi nhìn dưới kính hiển vi và cháng thường gây ra các vệt màu đỏ trong bùn hoạt tính do các chấm đỏ cam trên cơ thể của chúng. Vai trò: do tốc độ sinh trưởng chậm, giun tròn thường được nhìn thấy ờ thời gian lưu bùn dài hơn. Các loài còn lại thường chỉ xuất hiện ở các hệ thống bùn hoạt tính đang nitrate hoá, có thể do chúng dễ bị tổn thương bởi độ độc của ammoniac. 4.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.4.1 Löôïng Oxy hoaø tan trong nöôùc Ñieàu kieän ñaàu tieân ñeå ñaûm baûo cho các công trình phân huỷ vi sinh hiếu khí coù khaû naêng oxy hoaù caùc chaát baån höõu cô vôùi hieäu suaát cao laø phaûi ñaûm baûo cung caáp ñuû löôïng oxy, maø chuû yeáu laø oxi hoaø tan trong moâi tröôøng loûng, moät caùch lieân tuïc, ñaùp öùng cho nhu caàu hieáu khí của vi sinh vaät trong buøn hoaït tính. Löôïng Oxy ñöôïc coi laø ñuû khi ra khoûi beå laéng vôùi noàng ñoä laø 2mg/l Caùc giaûi phaùp ñeå ñaùp öùng nhu caàu oxy hoaø tan : - Khuaáy cô hoïc vôùi caùc daïng khuaáy ngang, khuaáy ñöùng. Song bieäân phaùp naøy khoâng hoaøn toaøn ñaùp öùng ñöôïc nhu caàu oxy. - Thoåi vaø suïc khí baèng heä thoáng khí neùn. - Keát hôïp neùn khí vôùi khuaáy ñaûo. Thaønh phaàn dinh döôõng ñoái vôùi vi sinh vaät Thaønh phaàn chuû yeáu trong nöôùc thaûi laø nguoàn Cacbon (theå hieän baèng BOD), laø một chaát höõu cô deã phaân huyûbôûi sinh vaät. Ngoaøi BOD, caàn chuù yù tôùi hai thaønh phaàn khaùc : nguoàn nitô vaø vaø nguoàn phospho. Ngoaøi ra, vi sinh vaät phaùt trieån coøn caàn ñeán moät loaït caùc chaát khoaùng khaùc, nhö Mg, K, Ca, Mn, Fe, Mn, Co,v.v… Thieáu dinh döôõng trong nöôùc thaûi seõ laøm giaûm möùc ñoä sinh tröôûng, phaùt trieån taêng sinh khoái cuûa sinh vaät, theå hieän baèng löôïng buøn hoaït tính taïo thaønh giaûm, kieàm haõm vaø öùc cheá quaù trình oxi hoaù caùc chaát höõu cô gaây nhieãm baån. Noùi chung, thieáu hai nguoàn dinh döôõng N vaø P laâu daøi seõ aûnh höôûng tôùi nhieàu caáu taïo teá baøo môùi, giaûm möùc ñoä sinh tröôûng, aûnh höôûng khoâng toát tôùi di truyeàn vaø caùc theá heä sau cuûa sinh vaät. Moät tæ leä dinh döôõng ñöôïc ñeà xuaát cho xöû lí nöôùc thaûi baèng phöông phaùp hieáu khí laø: BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Tæ soá naøy thöôøng chæ ñuùng cho 3 ngaøy ñaàu. Trong giai ñoaïn naøy vi sinh vaät trong bể phân huỷ vi sinh hiếu khí phaùt trieån maïnh vaø buøn hoaït tính cuõng ñöôïc taïo thaønh nhieàu nhaát. Neáu quaù trình xöû lí keùo daøi thì tæ leä naøy caàn 200 : 5 : 1. Ñeå caân ñoái dinh döôõng coù theå duøng caùc muoái amon và phosphat boå sung vaøo nöôùc thaûi ñeå taêng nguoàn N vaø P. Coøn trong tröôøng hôïp dö thöøa N vaø P, phaûi khöû caùc thaønh phaàn naøy baèng caùc bieän phaùp ñaëc bieät hoaëc xöû lí bằng ao hồ ổn ñònh vôùi vieäc nuoâi troàng beøo, rau muoáng vaø caùc thöïc vaät noåi khaùc. 4.4.3 Noàng ñoä cho pheùp cuûa chaát baån höõu cô coù trong nöôùc thaûi Caùc vi sinh vaät ñeàu coù noàng ñoä cô chaát giôùi haïn hoaëc cho pheùp, neáu vöôït quaù möùc seõ öùc cheá ñeán sinh lí vaø sinh hoaù của teá baøo sinh vaät, laøm aûnh höôûng xaáu ñeán quaù trình trao ñoåi chaát, ñeán vieäc hình thaønh enzyme. Noùi chung, caùc loaïi nöôùc thaûi coù theå xöû lí bằng hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí coù löôïng BOD vaøo khoaûng 500mg/l, coøn tröôøng hôïp cao hôn (khoâng quaù 1000mg/l) phaûi xöû lí baèng hệ thống phân huỷ vi sinh hiếu khí khuaáy troän hoaøn chænh. Neáu BOD cao quaù möùc ta phaûi pha loaõng baèng nöôùc ñöôïc quy öôùc laø saïch hoaëc nöôùc ñaõ qua xöû lí coù löôïng BOD ôû doøng ra thaáp. 4.4.4 Caùc chaát coù ñoäc tính ôû trong nöôùc thaûi öùc cheá ñôøi soáng vi sinh vaät Noàng ñoä muoái voâ cô trong nöôùc thaûi khoâng quaù 10g/l. Neáu laø muoái voâ cô thoâng thöôøng, coù theå pha loaõng nöôùc thaûi vaø xöû lí baèng phöông phaùp buøn hoaït tính, coøn neáu laø caùc chaát ñoäc nhö kim loaïi naëng caùc chaát ñoäc höõu cô phaûi tieán haønh phaân tích caån thaän vaø coù bieän phaùp xöû lí rieâng bieät , sau ñoù môùi coù theå xöû lí baèng phöông phaùp sinh hoïc. 4.4.5 pH cuûa nöôùc thaûi pH aûnh höôûng nhieàu ñeán caùc quaù trình hoaù sinh cuûa vi sinh vaät, quaù trình taïo buøn vaø laéng. Noùi chung, pH thích hôïp cho xöû lí nöôùc thaûi ôû bể vi sinh hiếu khí laø 6.5-8.5. Trong thôøi gian cuoái, nöôùc thaûi trong bể vi sinh hiếu khí coù pH chuyeån sang kieàm, coù theå caùc hôïp chaát nitô ñöôïc chuyeån thaønh NH3 hoaëc muoái amon. 4.4.6 Nhieät ñoä Hoạt động sống của vi khuẩn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt độ tăng thì hoạt động của vi khuẩn tăng lên, khi nhiệt độ giảm thì hoạt động của chúng cũng giảm xuống. Haàu heát caùc vi sinh vaät trong nöôùc laø caùc theå öa aám. Chuùng coù nhieät ñoä sinh tröôûng toái ña laø 40oC, toái thieåu laø 5oC. Vì vaäy, nhieät ñoä xöû lí nöôùc thaûi chæ trong khoaûng 6 – 37oC, toát nhaát laø 25 – 37oC. Nhieät ñoä khoâng chæ aûnh höôûng ñeán chuyeån hoaù cuûa vi sinh vaät maø coøn aûnh höôûng nhieàu tôùi quaù trình hoaø tan oxy vaøo nöôùc, cuõng nhö khaû naêng keát laéng cuûa caùc boâng caën buøn hoaït tính. 4.4.7 Noàng ñoä caùc chaát lô löûng ôû daïng huyeàn phuø Neáu noàng ñoä caùc chaát lô löûng khoâng quaù 100mg/l thì xöû lí baèng beå loïc sinh hoïc vaø noàng ñoä khoâng quaù 150mg/l laø xöû lí baèng bể vi sinh hiếu khí seõ cho hieäu quaû phaân huyû caùc chaát höõu cô nhieãm baån laø cao nhaát. Tuy nhieân, vôùi caùc bể vi sinh hieáu khí tích cöïc, noàng ñoä caùc chaát raén lô löûng coù theå laø cao hôn. Song, löôïng chaát raén lô löûng cao thöôøng laøm aûnh höôûng tôùi hieäu quaû xöû lí. Vì vaäy đối vôùi nhöõng nöôùc thaûi coù haøm löôïng chaát raén lô löûng quaù cao caàn phaûi qua laéng 1 trong giai ñoaïn xöû lí sô boä một caùch ñaày ñuû ñeå coù theå loaïi boû vaåy caën lôùn vaø moät phaàn caùc chaát raén lô löûng. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra có hiệu quả thì phải tạo được các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian… tốt nhất cho hệ sinh vật. Khi các điều kiện trên được đảm bảo thì quá trình xử lý diễn ra như sau: Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ hay trong các bể có dòng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hoàn chỉnh và liên tục. Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh có thể biểu diễn bằng công thức sau: rt = μX (4.1) Trong đó: rt: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (khối lượng/đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian, g/m3.s) μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/thời gian = 1/s) X: nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) 4.5.1 Chất nền – Giới hạn của tăng trưởng Trong trường hợp xử lý nước thải theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp xử lý trong bể có dòng cấp chất nền và chất dinh dưỡng liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949) (4.2) Trong đó: μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l) Thay giá trị μ ở phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta có: (4.3) 4.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền Trong cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ và xử lý trong bể có dòng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hoá thành chất vô cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau: rt = -Yrd (4.4) Trong đó: rt: tốc độ tăng trưởng của tế bào (g/m3.s) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit) rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) Từ phương trình (4.4) và (4.3) ta rút ra được: (4.5) () 4.5.3 Ảnh hưởng của hô hấp nội bào Trong các công trình xử lý nước thải, các tế bào sinh vật ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của tế bào phải tính toán tổ hợp các hiện tượng này, để tính toán giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỉ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào. Qúa trình hô hấp nội bào có thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau: Vi khuẩn Tế bào C5H7O2N + 5O2 5 CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (4.6) rd = -KdX (4.7) Trong đó: Kd: hệ số phân huỷ nội bào (1/s) X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3) Kết hợp với quá trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế bào là: rt’ = (4.8) Hay rt’ = Yrd – KdX (4.9) Trong đó: Rt’: tốc độ tăng gtrưởng thực của vi khuẩn (1/s) Tốc độ tăng trưởng riêng thực là: μ’ = (4.10) Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) sẽ là: (4.11) 4.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải, ngoài ra còn ảnh hưởng quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng các bông cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hoá trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng công thức: rT = r20θ(T – 20) (4.12) Trong đó: rt: tốc độ phản ứng ở ToC r20: tốc độ phản ứng ở 20oC θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ T: nhiệt độ nước đo bằng oC Trong quá trình xử lý sinh học thì θ = 1,02 ÷1,09, thường lấy θ = 1,04 CÁC DẠNG CÔNG TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ 4.6.1 Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên 4.6.1.1 Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quá trình lý, hoá và sinh học tự nhiên của hệ đất – nước – thực vật của hệ thống. Vieäc xöû lyù nöôùc thaûi baèng caùnh ñoàng töôùi vaø baõi loïc döïa treân khaû naêng giöõ caùc caën nöôùc ôû treân maët ñaát, nöôùc thaám qua ñaát nhö ñi qua loïc, nhôø coù oxy trong caùc loã hoång vaø mao quaûn cuûa lôùp ñaát maët, caùc vi sinh vaät hoaït ñoäng phaân huûy caùc hôïp chaát höõu cô nhieãm baån. Caøng saâu xuoáng löôïng oxy hoùa caøng ít vaø quaù trình oxy hoùa caùc chaát höõu cô giaûm xuoáng daàn. Cuoái cuøng ñeán ñoä saâu ôû ñoù chæ dieãn ra quaù trình khöû nitrate. Ñaõ xaùc ñònh ñöôïc quaù trình oxy hoùa nöôùc thaûi chæ dieãn ra ôû lôùp ñaát maët saâu tôùi 1.5m. Vì vaäy caùc caùnh ñoàng töôùi vaø baõi loïc thöôøng ñöôïc xaây döïng ôû nhöõng nôi coù möïc nöôùc ngaàm thaáp hôn 1.5m so vôùi maët ñaát. Caùnh ñoàng töôùi coù 2 chöùc naêng: xöû lyù nöôùc thaûi vaø töôùi boùn caây troàng. Tuøy vaøo töøng chöùc naêng maø caùnh ñoàng ñöôïc söû duïng cho phuø hôïp. Caùc loaïi nöôùc thaûi tröôùc khi ñöa vaøo caùnh ñoàng töôùi vaø baõi loïc caàn phaûi ñöôïc xöû lyù sô boä: qua song chaén raùc ñeå loaïi boû caùc vaät khoâ cöùng, qua beå laéng caùt loaïi boû moät phaàn caùc hôïp chaát raén vaø chaát kim loaïi naëng, loaïi boû daàu môõ vaø moät phaàn caùc chaát huyeàn phuø traùnh cho caùc lôùp ñaát maët bò bòt kín laøm giaûm söï thoaùng khí vaø aûnh höôûng xaáu ñeán khaû naêng oxy hoùa caùc chaát baån cuûa heä vi sinh vaät. Trong phöông phaùp naøy coù gaëp raát nhieàu khoù khaên khi xaây döïng nhö: dieän tích töôùi coá ñònh phaûi lôùn vaø nhu caàu töôùi ñeàu ñaën trong naêm. Sau khi lắng ở bể lắng đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng, ở đó diễn ra quá trình oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở đây, quá trình oxy hoá sinh hoá chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại sinh vật, vi sinh vật, chủ yếu là các vi sinh vật đất. Những quần thể sinh vật đất cũng bao gồm: vi khuẩn, nấm, vi tảo và các loài nguyên sinh động vật. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. - Vi khuẩn: trong cánh đồng lọc có chứa 2 loại vi khuẩn: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào, lượng vi khuẩn từ nước thải đưa vào bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Hai nhóm vi khuẩn này đồng thời có quan hệ đối kháng và cộng sinh. Cấu trúc đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định đến sự hình thành uần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải. Những quá trình oxy hoá sinh hoá diễn ra chủ yếu ở lớp đất trên cùng với chiều dày khoảng 40 cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “màng sinh vật”, chúng thực hiện quá trình oxy hoá sinh hoá. Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn, mỗi mét vuông diện tích đất có tổng diện tích hấp phụ là 5 ha. Số vi khuẩn ở màng sinh vật là rất lớn: với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40 cm thì tổng diện tích hấp phụ của tế bào vi khuẩn là 48.000 m2. Vì vậy tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1 cm/giờ. Nấm: đa số là loại hiếu khí, vì nấm không có khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, xenluloza, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrate, đôi khi cả peptone, acid amin Tảo: chủ yếu là tảo lam và tảo lục. Lượng tảo cũng rất nhiều khoảng 100.000 – 3.000.000/cm3 đất. Vai trò của tảo là tạo ra oxi nên sự phát triển của tảo trong đất là rất cần thiết đặc biệt là đối với đất kém thoáng khí. - Nguyên sinh động vật: có vai trò tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn già, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác phát triển và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ có hoạt tính sinh hoá mạnh hơn, do đó quá trình oxi hoá sinh hoá được tăng cường. Ngoài ra các nguyên sinh động vật còn giúp cho lớp đất lọc được tơi xốp. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được 3 mục tiêu: Xử lý nước thải. Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất. Nạp lại nước cho các túi nước ngầm. So với các hệ thống khác thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc chỉ cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn… Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí nên việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng có nhiều hạn chế như: cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc nhiều vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu. Tuỳ theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại: Cánh đồng lọc chậm. Cánh đồng lọc nhanh Cánh đồng lọc chảy tràn Hồ sinh học hiếu khí Ao hoà hieáu khí laø loaïi ao hoà noâng 0.3 – 0.5m coù quaù trình oxi hoùa caùc chaát baån höõu cô nhôø vaøo caùc vi sinh vaät hieáu khí. Loaïi ao hoà naøy goàm coù hoà laøm thoaùng töï nhieân vaø hoà laøm thoaùng nhaân taïo. Vi sinh vật trong hồ sinh học chủ yếu là vi khuẩn và tảo, ngoài ra còn có Protozoa, giả túc Rotifers. Vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, vi khuẩn Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn tiết ra. Tảo: sự phát triển tuỳ thuộc vào các loại chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng. Các loài như Euglena, Chlorella sẽ phát triển ở nơi có nồng độ dinh dưỡng cao. Những loại tảo nhỏ đòi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chu đạo hơn. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng không đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellata hoạt tính. Hoà hieáu khí töï nhieân : oxy töø khoâng khí deã daøng khueách taùn vaøo lôùp nöôùc phía treân vaø aùnh saùng maët trôøi chieáu roïi, laøm cho taûo phaùt trieån, tieán haønh quang hôïp thaûi oxy. Ñeå ñaûm baûo aùnh saùng qua nöôùc, chieàu saâu cuûa hoà phaûi nhoû thöôøng laø 30 – 40cm. Do vaäy dieän tích cuûa hoà caøng lôùn caøng toát. Taûi troïng cuûa hoà (BOD) khoaûng 250 – 300kg/ha.ngaøy, thôøi gian löu nöôùc töø 3 – 12 ngaøy. Do ao noâng, dieän tích lôùn neân ñaûm baûo ñieàu kieän hieáu khí cho toaøn boä nöôùc trong ao. Nöôùc löu trong ao töông ñoái daøi. Hieäu quaû laøm saïch coù theå tôùi 80 – 95% BOD, maøu nöôùc coù theå chuyeån daàn sang maøu xanh cuûa taûo. Hoà suïc khuaáy: nguoàn cung caáp oxy cho vi sinh vaät hieáu khí trong nöôùc hoaït ñoäng laø caùc thieát bò khuaáy cô hoïc hoaëc khí neùn. Nhôø vaäy, möùc ñoä hieáu khí trong hoà seõ maïnh hôn, ñieàu ñoä vaø ñoä saâu cuûa hoà cuõng nhoû hôn taûi troïng BOD cuûa hoà khoaûng 400kg/ha.ngaøy. Thôøi gian löu nöôùc trong hoà khoaûng 1 – 3 ngaøy coù khi daøi hôn. 4.6.2 Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo 4.6.2.1 Bể lọc sinh học Beå loïc sinh hoïc laø coâng trình nhaân taïo trong ñoù nöôùc thaûi ñöôïc loïc qua vaät lieäu raén coù bao boïc moät lôùp maøng vi sinh vaät. Vi sinh vật trong bể lọc sinh học Vi khuẩn: gồm các vi khuẩn hiếu khí, tuỳ tiện và yếm khí. Ở mặt ngoài của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, dễ nhận thấy là loại trực khuẩn tạo nha Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng chủ yếu là vi khuẩn yếm khí Desulfovibrio. Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là loài tuỳ tiện gồm nhiều loại như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus. Nấm: là loại hiếu khí nên chỉ sống ở vùng có oxi hoà tan, ở nước thải có pH thấp thì nấm và một số vi khuẩn chỉ thị phát triển mạnh. Tảo: không phát triển được nhiều mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt của bể lọc mà thôi. Động vật nguyên sinh: ở các lớp vật liệu phía trên có các loại bền vững chịu được trạng thái oxi như: Paramecium, Putrium, P. caudatum, Colpidium colpada… Beå loïc sinh hoïc goàm caùc phaàn chính nhö sau: phaàn chöùa vaät lieäu loïc, heä thoáng phaân phoái nöôùc ñaûm baûo töôùi ñeàu leân toaøn boä beà maët beå, heä thoáng thu vaø dẫn nöôùc sau khi loïc, heä thoáng phaân phoái khí cho beå loïc. Quaù trình oxy hoaù chaát thaûi trong beå loïc sinh hoïc diễn ra gioáng nhö treân caùnh ñoàng loïc nhöng vôùi cöôøng ñoä lôùn hôn nhieàu. Maøng vi sinh vaät ñaõ söû duïng vaø xaùc vi sinh vaät cheát theo nöôùc troâi khoûi beå ñöôïc taùch khoûi nöôùc thaûi ôû beå laéng ñôït 2. Ñeå ñaûm baûo quaù trình oxy hoaù sinh hoaù dieãn ra oån ñònh, oxy ñöôïc caáp cho beå loïc baèng caùc bieän phaùp thoâng gioù töï nhieân hoaëc thoâng gioù nhaân taïo. Vaät lieäu loïc cuûa beå loïc sinh hoïc coù theå laø nhöïa Plastic, xæ voøng goám, ñaù Granit… Các loại bể lọc sinh học: Beå loïc sinh hoïc nhoû gioït Beå coù daïng hình vuoâng, hình chữ nhaät hoaëc hình troøn treân maët baèng, beå loïc sinh hoïc nhoû gioït laøm vieäc theo nguyeân taéc sau: Nöôùc thaûi sau beå laéng ñôït 1 ñöôïc ñöa veà thieát bò phaân phoái theo chu kyø töôùi ñeàu nöôùc treân toaøn boä beà maët beå loïc. Nöôùc thaûi sau khi loïc chaûy vaøo heä thoáng thu nöôùc vaø ñöôïc daãn ra khoûi beå. Oxy caáp cho beå chuû yeáu qua heä thoáng loã xung quanh thaønh beå. Vaät lieäu loïc cuûa beå sinh hoïc nhoû gioït thöôøng laø caùc haït cuoäi, ñaù… ñöôøng kính trung bình 20 – 30 mm. Taûi troïng nöôùc thaûi cuûa beå thaáp (0,5 – 1,5 m3/m3 vaät lieäu loïc /ngày đêm). Chieàu cao lôùp vaät lieäu loïc laø 1,5 – 2m. Hieäu quaû xöû lyù nöôùc thaûi theo tieâu chuaån BOD ñaït 90% . Duøng cho caùc traïm xöû lyù nöôùc thaûi coù coâng suaát döôùi 1000 m3/ngày đêm. Bể lọc sinh học hoạt tính: Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt cao tải, chỉ khác là bùn từ bể lắng thứ cấp được bơm hoàn lưu vào bể lọc sinh học hoạt tính để tăng mật độ vi sinh vật trong bể này. Ưu điểm của bể này là hiệu suất khử BOD cao hơn, lưu lượng nạp BOD có thể tăng 4 – 5 lần so với bể lọc sinh học nhỏ giọt thông thường. Bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí: Hệ thống này gồm bể lọc sinh học nhỏ giọt, bể sục khí và bể lắng thứ cấp. Các bùn vi sinh vật từ bể lọc được đưa qua bể sục khí để tạo bông cặn và khử các chất hữu cơ hoà tan. Kết hợp bể lọc thô với bùn hoạt tính: Giống như bể lọc sinh học nhỏ giọt kết hợp với bể sục khí, tuy nhiên hệ thống này có thể hoạt động được với lưu lượng nạp chất hữu cơ cao hơn. Bể lọc thô dùng để khử chất hữu cơ của nước thải giúp cho hệ thống khỏi bị hoạt động quá tải hay dưới tải. Khi nước thải chảy qua, trên bề mặt các hạt vật liệu lọc sẽ hình thành, phát triển các vi sinh vật và sinh vật gọi là tạo màng sinh vật. Bể Aerotank - bùn hoạt tính Laø beå chöùa hoån hôïp nöôùc thaûi vaø buøn hoaït tính, khí ñöôïc caáp lieân tuïc vaøo beå ñeå troän ñeàu vaø giöõ cho buøn ôû traïng thaùi lô löûng trong nöôùc thaûi vaø caáp ñuû oxy cho vi sinh vaät oxy hoaù caùc chaát höõu cô coù trong nöôùc thaûi. Vi sinh vật trong bùn hoạt tính Vi khuẩn: là nhóm vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân huỷ các hợp chất hữu cơ và là thành phần cấu tạo chủ yếu của bùn hoạt tính. Bản chất của hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ xác định loại vi khuẩn nào là loại chủ đạo. Nước thải chứa protein sẽ kích thích các loại Alcaligenes, Flavobacterium và Bacillus phát triển. Nước thải chứa hydratcacbon hoặc hydrocacbon thì kích thích Pseudomonas. Nấm: được coi là không mong muốn tồn tại trong bùn hoạt tính. Nếu nước thải chứa hydratcacbon với nồng độ cao, pH thấp, thiếu chất dinh dưỡng sẽ kích thích nấm phát triển. Nấm trong bùn hoạt tín sẽ tạo dạng chỉ và ngăn cản việc tạo bông và làm bùn khô lắng. Protozoa: chỉ đóng vai trò gián tiếp trong việc ổn định, phân huỷ chất hữu cơ mà thôi. Khi nồng độ chất hữu cơ thấp thì tạo điều kiện cho động vật nguyên sinh phát triển và chiếm chủ đạo trong bùn hoạt tính. Nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hoà tan và chất lơ lửng đi vào bể Aerotank. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính. Vi khuẩn và các vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng N, P làm thức ăn để chuyển hoá chúng thành các chất trơ không hoà tan và thành các tế bào mới. Quá trình chuyển hoá thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau. Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hoá thải ra các hợp chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản hơn, một vài loại vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các hợp chất đơn giản hơn nữa, và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng cung cấp vật liệu cho tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể Aerotank của lượng nước thải đi vào bể không đủ để làm giảm nhanh các chất hữu cơ, do đó phải sử dụng lại bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng đợt 2 bằng cách tuần hoàn bùn ngược trở lại đầu bể Aerotank để duy trì nồng độ đủ của vi khuẩn trong bể. Bùn dư ở đáy bể lắng được xả ra khu xử lý bùn. Để cung cấp oxy hoà tan cho bể Aerotank, người ta sử dụng các cách sau: Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng. Song, biện pháp này không hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu oxy. Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành các dòng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau. Kết hợp nén khí với khuấy đảo. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của bể Aerotank Lượng oxy hoà tan trong nước. Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật. Nồng độ cho phép của các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải để đảm bảo cho Aerotank làm việc có hiệu quả. Các chất có độc tính ở trong nước thải ức chế đến đời sống của vi sinh vật. pH và nhiệt độ của nước thải. Phân loại Aerotank - Aerotank tải trọng thấp (Aerotank truyền thống): - Aerotank tải trọng cao một bậc - Aerotank tải trọng cao nhiều bậc - Aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Aerotank ổn định – tiếp xúc) - Aerotank thông khí kéo dài - Aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH XỬ LÝ stt Đại lượng cần tính Biểu thức Giải thích đại lượng 1 Tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s) X: nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l) S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế Ks: hằng số bán tốc độ, (g/m3; mg/l) Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) 2 Tyû soá F/M:Tyû lệ thöùc aên trên số lượng vi khuẩn ngaøy-1 F/M= S0: noàng ñoä COD ñaàu vaøo (mg/l) q: thôøi gian löu nöôùc trong beå phản ứng hiếu khí ( ngaøy) X: noàng ñoä chaát raén lô löûng bay hôi trong beå phản ứng hiếu khí ( mg/l) 3 Thôøi gian löu nöôùc: q (ngaøy) q= V: theå tích beå phản ứng hiếu khí (m3) Q: löu löôïng nöôùc thaûi (m3/ ngaøy) 4 Thôøi gian löu buøn: qb(ngaøy) qb = MLSS: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong beå phản ứng hiếu khí (mg/l) V: theå tích beå phản ứng hiếu khí ( m3) SSe: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong nöôùc thaûi ñaàu ra (mg/l) Qe: löu löôïng nöôùc thaûi ra (m3/ngaøy) SSw: haøm löôïng chaát raén lô löûng trong buøn thaûi (mg/l) Qw: löu löôïng buøn thaûi (m3/ngaøy) 5 Chæ soá theå tích buøn SVI (mg/l) SVI = x 1000 V30’: thể tích bùn lắng sau 30 phút. 6 Hiệu quả xử lý: E - Xử lý theo COD: - Xử lý theo BOD: - Hiệu quả xử lý toàn bộ: c: lượng cặn theo COD S: lượng BOD5 hoà tan ra khỏi bể lắng BOD5ra = BOD5hoà tan + BOD5 lơ lửng 7 Thể tích bể:V( m3) θc: thời gian lưu bùn (ngày) S0: chất nền trong nước thải (mg/l) S: nồng độ chất nền còn lại sau khi ra khỏi bể (mg/l) 8 Tốc độ tăng trưởng của bùn :Yb(ngày-1) Yb = 9 Lượng bùn hoạt tính sinh ra trong ngày: Px (kg/ngày) Px = Yb.Q.(S0 - S) 10 Tổng lượng cặn lưu lượng sinh ra:Px1 Px1= z: độ tro của cặn 11 Lượng cặn dư hằng ngày xả ra:Pxả Pxả = Px1 – Pra Pra = Q.SSra.10-3 12 Lưu lượng xả bùn: Qxả Qxả = Qr = Qv Xt = (1 – z).Xbùn Xr = (1 – z).c (ml/ngày) 13 Thời gian tích luỹ cặn khi không xả cặn ban đầu:T (ngày) T = 14 Khi hệ thống ổn định, lượng bùn hữu cơ xả ra hằng ngày: B (kg/ngày) B = Qxả. Xb 15 Lưu lượng bùn tuần hoàn: QT 16 Lượng oxy cần thiết: OCo(kg/ngày) OCo=- 1,42.Px + N0: tổng nitơ ban đầu (sau khi bổ sung dinh dưỡng) N: tổng nitơ ra (5-6mg/l) 17 Lượng oxy thực tế: OCt (kg/ngày) OCt= OCo + Cs:oxy bão hoà trong nước (9.08mg/l) C:lượng oxy cần duy trì trong bể (2 – 3 mg/l) α: 0.6 – 0.94 18 Lượng không khí cần thiết: Ok OU: công suất hoà tan thiết bị f = 1.5 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI VẬN HÀNH HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.8.1 Những vấn đề trong phân tích bùn hoạt tính 4.8.1.1 Söï coá Bung buøn : Trong moät heä thoáng buøn hoaït tính hoaït ñoäng toát, vi khuaån khoâng dính keát vôùi boâng buøn thöôøng bò tieâu dieät bôûi caùc protozoa. Söï hieän dieän cuûa chuùng döôùi daïng caùc teá baøo rieâng reõ khieán cho nöôùc thaûi bò ñuïc. Vieäc phaùt trieån nhieàu vi khuaån phaân taùn coù nghóa laø quaù trình taïo boâng thaát baïi. Hieän töôïng naøy xaûy ra do taûi löôïng BOD cao vaø do giôùi haïn oxy. Bung buøn khoâng coù sôïi: Hieän töôïng naøy ñoâi khi ñöôïc goïi laø bung buøn zooglea vaø xaûy ra do vieäc saûn sinh quaù möùc nhöõng exopoly saccharides bôûi vi khuaån ( ví duï zooglea ) thöôøng ñöôïc tìm thaáy trong buøn hoaït tính. Noù khieán cho tính neùn vaø tính laéng giaûm. Loaïi bung buøn naøy ít gaëp vaø ñöôïc ñieàu chænh baèng chlor hoaù. Bung buøn coù sôïi: Nguyeân nhaân bung buøn laø do tính laéng keùm vaø tính neùn keùm cuûa chaát raén trong beå laøm trong cuûa heä thoáng buøn hoaït tính. Hieän töôïng bung buøn coù sôïi thöôøng do nhieàu vi sinh vật daïng sôïi gaây ra vaø laø hieän töôïng khaù phoå bieán. Boâng buøn ñieåm (pinpoint flocs) : Boâng buøn ñieåm xuaát hieän do vieäc phaù huyû nhöõng boâng buøn thaønh nhöõng maûnh raát nhoû ñi vaøo nöôùc thaûi ra buøn hoaït tính. Moät soá nhaø quan saùt tin raèng nhöõng vi khuaån sôïi taïo ra xöông soáng cuûa boâng buøn hoaït tính khi xuaát hieän vôùi soá löôïng thaáp seõ khieán cho boâng buøn maát caáu truùc, gaây neân keùm laéng vaø cho ra nöôùc ñuïc. Leân buøn ( Rising sludge) : Thænh thoaûng buøn coù khaû naêng laéng toát cuõng coù xuaát hieän hieän töôïng noåi leân maët nöôùc sau moät khoaûng thôøi gian laéng töông ñoái ngaén. Nguyeân nhaân thoâng thöôøng laø do quaù trình khöû nitrat hoùa (nitrir vaø nitrat trong nöôùc thaûi chuyeån thaønh khí nitô). Caùc khí nitô seõ bò giöõ laïi trong lôùp buøn cho ñeán moät luùc naøo ñoù seõ, ñuû nhieàu seõ loâi cuoán buøn noåi leân maët nöôùc. Ta coù theå phaân bieät hieän töôïng buøn noåi vôùi hieän töôïng buøn keát cuïm baèng caùch ñoái vôùi hieän töôïng buøn noåi khi caùc boâng buøn noåi leân coù keøm theo caùc boït khí nhoû li ti phía treân beà maët beå laéng 2 Hieän töôïng taïo boït vaø vaùng (foaming/scum formation) : Hieän töôïng naøy do 2 loaøi vi khuaån gaây ra laø Nocardia vaø Microthrix parvicella, hai loaiï vi khuaån naøy coù beà maët teá baøo khoâng öa nöôùc vaø coù hình thaønh nhöõng boït bong boùng treân beà maët teá baøo, chính nhöõng boït bong boùng naøy gaây neân hieän töôïng taïo boït . Ñaây laø 2 vi khuaån coù daïng hình sôïi vaø coù theå ñöôïc phaùt hieän qua kính hieån vi. Boït ñöôïc taïo ra raát daøy ( ñoä daøy coù theå ñaït töø 0,5 ñeán 1m) vaø coù maøu naâu. Hieän töôïng buøn tröông : Khi tải lượng hữu cơ (BOD) trong bể tăng, bùn hoạt tính có theå bị trương. Dễ tạo thành các hạt nhỏ rời rạc và khó lắng gọi là hiện tượng trương bùn. Baûng 4.1: Toùm taét nguyeân nhaân vaø haäu quaû cuûa nhöõng söï coá trong buøn hoaït tính Sự cố Nguyeân nhaân Haäu quaû Söï phaùt trieån phaân taùn Vi sinh vaät khoâng taïo thaønh boâng nhöng khueách taùn, taïo thaønh nhöõng cuïm nhoû hoaëc teá baøo ñôn leû Nöôùc ra ñuïc, khoâng coù vuøng laéng trong buøn Nhaøy: bung buøn coù nhôùt ( bung buøn khoâng sôïi ) Vi sinh vaät hieän dieän vôùi soá löôïng lôùn trong lôùp maøng ngoaïi baøo Giaûm tính laéng vaø toác ñoä neùn. Treân thöïc teá khoâng coù vieäc phaân taùch trong nhöõng tröôøng hôïp nghieâm troïng, taïo neân chaûy traøn cuûa lôùp buøn trong beå laéng ñôït 2 Boâng buøn ñieåm Nhöõng boâng buøn nhoû, chaéc, yeáu, coù caáu hình ñöôïc taïo thaønh laéng nhanh. Nhuõng khoái tuï nhoû hôn laéng chaäm Chæ soá theå tích buøn SVI thaáp vaø nöôùc thaûi ra ñuïc Bung buøn Nhöõng vi sinh vaät baønh tröôùng khoûi boâng buøn vaø caûn trôû vieäc neùn vaø laéng cuûa buøn Chæ soá theå tích SVI cao, nöôùc thaûi ra trong Leân buøn Vieäc khöû nitrat trong beå laéng ñôït 2 taïo ra nhöõng boùng khí Nitô, baùm dính vôùi nhöõng boâng buøn hoaït tính vaø noåi leân treân beà maët beå laéng 2 Lôùp vaùng cuûa buøn hoaït tính ñöôïc taïo thaønh treân maët cuûa beå laéng ñôït 2 Söï taïo thaønh boït vaø vaùng Nhöng chaát hoaït dieän beà maët khoâng bò thoaùi bieán vaø söï hieän dieän cuûa nhöõng loaøi Nocardia, ñoâi khi bôûi söï hieän dieän cuûa Microthrixparvicella. Löôïng lôùn buøn noåi cuûa chaát raén trong buøn hoaït tính tôùi beà maët cuûa ñôn vò xöû lí. Boït ñöôïc tích luyõ vaø coù theå bò thoái. Chaát raén coù theå chaûy traøn vaøo beå laéng ñôït 2 . 4.8.1.2 Cách khắc phục: Hieän töôïng bung buøn Xöû lyù baèng chaát oxy hoaù maïnh : duøng chlorine hoaëc H2O2 ñeå xöû lyù vi khuaån coù choïn loïc sôïi trong buøn tuaàn hoaøn. Xöû lyù baèng chaát keo tuï : caùc polymer höõu cô toång hôïp, voâi vaø caùc muoái saét coù theå theâm vaøo hoãn dòch ñeå laøm taêng tính laéng cuûa buøn. Ñieàu chænh löôïng buøn tuaàn hoaøn: gia taêng vieäc thaûi buøn. Hieän töôïng leân buøn Taêng tyû leä buøn tuaàn hoaøn töû beå laéng veà beå Aerotank ñeå giaûm thôøi gian löu buøn trong beå laéng. Taêng nhanh toác ñoä ruùt buøn dö ôû beå laéng Giaûm thôøi gian löu buøn ñeå traùnh quaù trình nitrat hoùa Hieän töôïng boït vaø vaùng Coù theå khaéc phuïc hieän töôïng boït vaø vaùng baèng caùch : duøng chlorine phun leân treân beà maët hay söû duïng caùc cation polymer ñeå kieåm soaùt Hieän töôïng buøn tröông Tăng cường sục khí. Xả bùn dư. Tạm thời giảm tải trọng thủy lực của beå. Pha loãng nước thải bắng nước sông, hồ. Tháo kiệt, cọ sạch và xả đợt nước thải mới vào bể. 4.8.2 Những vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Nguyeân nhaân: Coâng trình bò quaù taûi. Löôïng nöôùc thaûi ñoät xuaát chaûy vaøo quaù lôùn. Nguoàn cung caáp ñieän bò ngaét. Tôùi kì haïn nhöng khoâng kòp söûa chöõa, ñaïi tu. Caùn boä, coâng nhaân quaûn lí khoâng tuaân theo nguyeân taéc quaûn lí kó thuaät an toaøn. Caùch khaéc phuïc: Nöôùc thaûi saûn xuaát coù löu löôïng vaø noàng ñoä dao ñoäng lôùn trong ngaøy vaø ñeâm, thì chæ ñöôïc pheùp xaû vaøo maïng löôùi thoaùt nöôùc ñoâ thò sau khi ñaõ qua xöû lí cuïc boä trong xí nghieäp coâng nghieäp. Ñieàu chænh cheá ñoä bôm cho phuø hôïp vôùi coâng suaát cuûa beå xöû lí. Tieán haønh taåy röûa keânh möông ñeàu ñaën. Caàn duøng 2 nguoàn ñieän ñoäc laäp ñeå traùnh bò taét ñieän ñoät ngoät. Caàn naâng cao trình ñoä quaûn lí kó thuaät cho caùc caùn boä trong quaù trình ñieàu haønh caùc coâng trình xöû lí. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Các vấn đề mà đề tài đã làm được trong thời gian thực hiện đề tài trong 12 tuần là: Đã tập hợp, biên hội, sắp xếp và cấu trúc lại các tài liệu có liên quan nằm phân tán, rải rác thành một hệ thống hoàn chỉnh về các vấn đề lý thuyết cơ sở có liên quan đến quá trình phân huỷ các chất trong nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí. Do đó, giúp các kỹ sư thiết kế cũng như công nhân vận hành hệ thống xử lý nước thải có thể nắm bắt một cách tổng thể về vai trò của các loại vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học giúp phục vụ công tác thiết kế các công trình xử lý nước thải cũng như vận hành hệ thống có hiệu quả hơn. Trình bày rõ về các cơ chế, các giai đoạn, các bước phân huỷ của quá trình hoá sinh học trong quá trình phân giải các chất hữu cơ của các vi sinh vật hiếu khí, cũng như thành phần các vi sinh vật tương ứng trong các công trình xử lý sinh học. Nêu ra một số các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí giúp việc vận hành hệ thống xử lý nước thải không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bất lợi gây ra. Làm rõ được một số các vấn đề thường gặp khi vận hành hệ thống xử lý nước thải, đồng thời cũng đã nêu ra được cách khắc phục các vấn đề đó. 5.2 KIẾN NGHỊ Trong các tài liệu nghiên cứu xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học sử dụng vi sinh vật hiếu khí chủ yếu là nghiên cứu các phương pháp xử lý các chất hữu cơ đơn giản như các hydratcacbon, protein, lipid. Tuy nhiên, trong các nhà máy xử lý nước thải hiện nay, thành phần nước thải rất đa dạng và chứa những chất phức tạp, khó phân huỷ. Vì vậy cần tiếp tục thu thập và tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu sâu hơn về hướng xử lý sinh học các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp hơn (ví dụ như các hợp chất chứa vòng thơm), đặc biệt là một số hợp chất có nguồn gốc nhân tạo khó phân huỷ.