Đồ án Nghiên cứu phương pháp sinh học xử lý nước thải nhà máy bia

ớc thải (BODƠ) BODƠ được xác định sau khoảng 15-20 ngày nuôi vi sinh vật. Để xác định chỉ tiêu này nước thải phải được pha loãng ở mức độ sao cho lượng oxy hoà tan có trong nước đủ để oxy hoá toàn bộ các chất hữu cơ có trong nước thải. Chỉ số nồng độ oxy hoà tan ban đầu và sau khi nuôi trong nước sẽ cho ta lượng oxy cần thiết để oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Một điều dễ thấy là sản phẩm của quá trình oxy hoá các chất hữu cơ là CO2 và H2O và sinh khối vi sinh vật. Sinh khối vi sinh vật tạo thành chiếm khoảng 25% chất hữu cơ bị oxy hoá, do đó chỉ số BOD5 thường chỉ chiếm 60-70% tổng chất hữu cơ có trong nước thải. Ngoài ra nhiều trường hợp trong nước thải có chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ như các hợp chất clo hữu cơ, cacbua hydro mạch vòng, poly- phenol ... làm cho chỉ số BOD thấp hơn nhiều so với tổng lượng chất hữu cơ. Trong thực tế người ta thường sử dụng chỉ tiêu tỷ lệ BOD/COD để đánh giá mức độ độc của nước thải. Nước thải có tỷ lệ BOD/COD 0,5 dễ xử lý bằng phương pháp sinh học. 1.4.5. Chỉ tiêu LC50 (Lethal concentration) Là chỉ tiêu rất cơ bản để đánh giá độ độc của nước thải đối với hệ sinh thái môi trường. LC50 là liều lượng gây chết 50% sinh vật thử ở thời điểm xác định, tương ứng với nồng độ chất thử hoặc nồng độ nước thải trong môi trường. Để xác định chỉ tiêu này người ta phải sử dụng phương pháp thử "test" sinh học với các sinh vật kiểm định đã được tiêu chuẩn hóa như bèo tấm [8], cá [19]. 1.4.6. Chất rắn tổng số TS (Totalsolute) Là lượng chất còn lại của nước thải sau khi được sấy khô ở 105oC đến trọng lượng không đổi. 1.4.7. Hàm lượng chất rắn huyền phù SS (Supended Solides) Là lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải được xác định bằng cách ly tâm hoặc lọc và sấy đến khối lượng không đổi ở 105oC. II. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải 2.1. Vi sinh vật và đặc tính của vi sinh vật Vi sinh vật là những cơ thể vô cùng nhỏ bé chỉ có thể quan sát được ở dưới kính hiển vi. Trong nước thải cũng có mặt của quần thể vi sinh vật rất phong phú, bao gồm tất cả các chủng loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, coliform. Đó là những vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải và có khả năng sử dụng những hợp chất hữu cơ có trong nước thải như nguồn dinh dưỡng. Để nghiên cứu khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải của vi sinh vật, phải tìm hiểu những đặc điểm sinh lý, sinh hoá của chúng . Các chất hữu cơ trong nước thải là một hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất có cấu tạo hoá học rất khác nhau. Vì vậy khi xử lý nước thải không thể sử dụng đơn thuần một loài vi sinh vật mà phải sử dụng tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau. Tuỳ thuộc vào thành phần của từng loại nước thải, tỷ lệ các loài vi sinh vật và số lượng sử dụng chúng trong xử lý cũng khác nhau. Tuy nhiên với nước thải công nghiệp thông thường thì các loài vi khuẩn vẫn chiếm ưu thế [2,3,7,10,14,15,16]. 2.2. Nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật 2.2.1. Nhu cầu dinh dưỡng của sinh vật Vi sinh vật sử dụng các chất dinh dưỡng làm vật liệu xây dựng tế bào và nguồn cung cấp năng lượng. Sự phát triển của vi sinh vật phụ thuộc vào nguồn cacbon và nguồn dinh dưỡng khác. * Nguồn cacbon: Nguồn cacbon là nguồn cung cấp dinh dưỡng chủ yếu cho vi sinh vật. Nguồn cacbon có hai chức năng : Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của vi sinh vật, cung cấp nguyên liệu cho quá trình xây dựng tế bào. Dựa vào đặc điểm dinh dưỡng của vi sinh vật đối với nguồn cacbon, người ta chia vi sinh vật ra thành 2 nhóm. -Vi sinh vật dị dưỡng: Là nhóm vi sinh vật phổ biến trong tự nhiên. Các vi sinh vật này sử dụng chủ yếu là các nguồn cacbon hữu cơ. Chúng đóng vai trò quan trọng trong chu trình cacbon của tự nhiên.[1,2] - Vi sinh vật tự dưỡng: là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ cho cơ thể từ CO2 và H2O [1]. * Nguồn dinh dưỡng Nitơ . Nitơ là nguyên tố thứ hai sau (C) giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Là thành phần không thể thiếu của một số các hợp chất hữu cơ trong vật chất sống như prôtein axit amim, enzim, các bazơ nitơ. Trong tự nhiên Nitơ tồn tại dưới nhiều dạng hợp chất khác nhau. Khả năng sử dụng các hợp chất Nitơ của các vi sinh vật khác nhau. Vi sinh vật có thể sử dụng được các hợp chất Nitơ hữu cơ ( pepton, cao men, bột đậu...) và hợp chất Nitơ vô cơ. * Nguồn dinh dưỡng muối khoáng. Các nguyên tố khoáng trong hợp phần tế bào vi sinh vật chiếm tỷ lệ không cao nhưng có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Trong môi trường nhân tạo thì khoáng chất thường được đáp ứng bằng các khoáng chất có trong nguyên liệu. Nhu cầu về các nguyên tố khoáng của các vi sinh vật khác nhau, thay đổi theo đặc tính của từng loài, tuổi sinh lý của tế bào và theo điều kiện của môi trường. Trong số các chất khoáng thì quan trọng nhất là photpho (50% khoáng khô), thành phần không thể thiếu được của axít nucleotít, phopho lipit, các hợp chất cao năng. Nguồn cung cấp photpho cho vi sinh vật chủ yếu là photpho vô cơ (K2HPO4, KH2PO4). Ngoài ra Mg là nguyên tố đa lượng tham gia vào thành phần của các enzim, oxy hoá khử nhất là các enzim trong chuỗi hô hấp và riboxom. Nguồn Mg dùng phổ biến trong nuôi cấy sinh vật là các muối: MgSO4.7H2O, MgCl2. Canxi là nguyên tố quan trọng trong quá trình phát triển của tế bào, tham gia vào quá trình điều chỉnh pH, có mặt trong thành phần của một số enzim . Khi xử lý nước thải bằng vi sinh vật cần phải nghiên cứu nồng độ các chất phù hợp với đặc điểm sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Nếu vượt ra ngoài khoảng đó, sinh trưởng của vi sinh vật có thể bị ức chế. Ngoài các nguyên tố trên vi sinh vật còn cần các chất vi lượng (Co, Ni, Cu, Mo, B...) với chức năng là các chất kính thích sinh trưởng, điều chỉnh các hoạt động sinh lí sinh hoá của tế bào. Để sinh trưởng và phát triển một số loài vi sinh vật cần có các loại vitamin như B1, B2, B12, D, H... 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sống của vi sinh vật ảnh hưởng của nước và nồng độ các chất dinh dưỡng . Nước đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống của vi sinh vật. Nước hoà tan các chất dinh dưỡng nhờ đó mà chất dinh dưỡng dễ dàng thẩm thấu qua màng tế bào để cho vi sinh vật sử dụng. Nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước phải phù hợp với đặc điểm sinh lý của tế bào. Nồng độ các chất dinh dưỡng cao quá mức giới hạn tế bào sẽ mất nước, nguyên sinh chất trong tế bào bị keo tụ lại làm hoạt động trao đổi chất bị ngưng trệ. Ngược lại trong nước cất tế bào bị trương lên do xảy ra hiện tượng thẩm thấu của nước qua màng tế bào làm cho tế bào bị vỡ. Tỉ lệ các chất dinh dưỡng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật. Mỗi loài vi sinh vật cũng có nhu cầu khác nhau về tỷ lệ các chất dinh dưỡng. Tỷ lệ C : N : P phổ biến cho nhiều loài là 100 : 10 : 1. * Nhiệt độ : Mỗi loại vi sinh vật có độ giới hạn nhiệt độ phát triển thích hợp khác nhau. Đối với mỗi loại vi sinh vật có các giới hạn nhiệt độ phát triển tối thiểu (Tomin), nhiệt độ phát triển tối đa (Tomax) và nhiệt độ phát triển thích hợp (Toopt) . Nấm mốc, xạ khuẩn có To opt phổ biến từ 26-30oC, nấm men có Toopt vào khoảng 30-37oC. Trong khi đó ở vi khuẩn có sự khác biệt rất lớn về Toopt. Phần lớn vi khuẩn có Toopt 30-37oC , có nhiều loài vi khuẩn có Toopt thấp 10-20oC (vi sinh vật ưa lạnh) và có nhiều loài Toopt khá cao lớn 50-60oC (vi sinh vật ưa nhiệt). Trong xử lý nước thải hầu như việc điều chỉnh nhiệt độ không thể thực hiện được mà thường xử lý ở nhiệt độ tự nhiên của môi trường. Vì vậy người ta thường chọn các loại vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên của khu vực để chúng có khả năng thích nghi với nhiệt độ môi trường tự nhiên. * pH: Cũng tương tự như nhiệt độ pH cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến tốc độ sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật có pH phát triển tối ưu từ 5,5-7,5 có một số loài phát triển tối ưu ở pH thấp (8). ở pH không thích hợp hệ enzim của vi sinh vật hoạt động yếu hoặc bị bất hoạt do đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Để vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tốt cần duy trì pH thích hợp trong suốt thời gian nuôi cấy . * oxy hoà tan : Mối quan hệ của vi sinh vật đối với oxy rất khác nhau. Vi sinh vật hiếu khí cần oxy để sinh trưởng và phát triển. Vi sinh vật yếm khí oxy lại là tác nhân gây độc. Nhóm vi sinh vật trung gian giữa hai nhóm này là nhóm hiếu khí tuỳ tiện. Trong xử lý nước thải ở các bể aroten cần cung cấp đủ oxy để vi sinh vật hiếu khí oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Còn xử lý yếm khí thì lại tiến hành trong các bể kín để oxy không tan được vào trong nước thải gây ức chế các vi sinh vật yếm khí. 2.3. Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Trong nuôi cấy vi sinh vật người ta đã xác định quá trình phát triển, sinh trưởng của chúng gồm bốn pha: * Pha tiềm phát: Là pha thích nghi của vi sinh vật với môi trường nuôi cấy. ở pha này tế bào đang ở trạng thái nghỉ được trương dần lên do nước và chất dinh dưỡng thẩm thấu qua màng tế bào. Số lượng tế bào của vi sinh vật ở pha này hầu như không tăng lên, nhưng sinh lý sinh hoá của tế bào thay đổi mạnh. Các enzim nội bào được hoạt hoá và quá trình trao đổi chất bắt đầu diễn ra. Tuỳ từng loại vi sinh vật pha tiềm phát có thể ngắn hay dài, thông thường với vi khuẩn pha tiềm phát thường kéo dài khoảng 2-4h còn ở nấm men, nấm mốc pha tiềm phát thường kéo dài từ 4-6h. * Pha log: Sau khi pha tiềm phát kết thúc vi sinh vật bắt đầu phát triển mạnh , số lượng tế bào tăng theo số mũ. Cơ chất được vi sinh vật sử dụng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong môi trường giảm nhanh. Đối với vi khuẩn pha log thường kéo dài khoảng 8-10h nấm mốc, xạ khuẩn khoảng 20-24h, nấm men 12-16h. * Pha cân bằng: Khi nồng độ các chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn dần tốc độ của vi sinh vật cũng chậm lại và đạt mức cân bằng. ở pha này số lượng tế bào hình thành và số lượng tế bào chết gần tương đương nhau. Đồ thị sinh trưởng có dạng nằm ngang và kéo dài cho đến khi các chất dinh dưỡng trong môi trường cạn kiệt. * Pha suy vong: Khi nguồn dinh dưỡng cạn kiệt số lượng tế bào sống giảm theo luỹ thừa, vi sinh vật giảm nhanh số lượng. Trong xử lý nước thải cần phải xác định thời điểm bắt đầu xuất hiện pha suy vong để kết thúc quá trình xử lý. Vì khi vi sinh vật chết tế bào bị phân huỷ các chất hữu cơ của tế bào hòa tan vào môi trường nước làm cho COD, BOD tăng lên gây hiện tượng tái ô nhiễm trở lại. III. Các phương pháp xử lý nước thải Để xử lý nước thải có rất nhiều phương pháp được sử dụng. Tuỳ thuộc vào đặc tính của nước thải và yêu cầu làm sạch của nước ở mức độ nào thì người ta chọn phương pháp xử lý thích hợp. Các phương pháp dùng để xử lý nước thải có thể phân chia như sau: Phương pháp cơ học Phương pháp hoá học Phương pháp hoá lý Phương pháp sinh học. Trong số các phương pháp trên thì phương pháp hoá lý và phương pháp sinh học được sử dụng nhiều nhất. 3.1. Phương pháp cơ học Phương pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp nước thải có nồng độ các chất không hoà tan cao, lượng chất hoà tan thấp. Xử lý cơ học được tiến hành trong các bể lọc có các chứa các chất lọc như cát, sỏi, màng lọc... Đối với nước bị ô nhiễm dầu tràn với hàm lượng lớn người ta thường sử dụng phương pháp thu gom, vớt [8,9]. 3.2. Phương pháp hoá học Phương pháp này dựa trên các phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất trong nước thải với các hoá chất đưa vào. Những phản ứng này xảy ra là những phản ứng oxy hoá khử, phản ứng tạo kết tủa, và phản ứng phân huỷ. Phương pháp này nhờ quá trình oxy hoá khử, tách các tạp chất, chất mang tính độc có trong nước thải được chuyển thành các chất không độc, một phần ở dạng lắng cặn [8,9]. Các nhà khoa học Nhật Bản đã tìm ra phương pháp hữu hiệu để xử lý nước thải của các nhà máy rượu bằng cách xục ozôn để tạo ra kết tủa xốp dễ dàng tách ra khỏi nước thải[13]. Nước thải được xử lý bằng ozôn giảm tới 70-80% COD và được tiếp tục được xử lý sinh học, rút ngắn quá trình xử lý. Nước thải sau khi xử lý hoàn toàn sạch gần tương đương chất lượng nước uống. 3.3. Phương pháp hoá lý Các phương pháp hoá lý để xử lý nước thải công nghiệp đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình keo tụ, hấp thụ, hấp thụ trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hoá, dialyz qua màng bám thấm. Keo tụ: Sử dụng các chất keo tụ và các chất trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn ở dạng lơ lửng xuống. Nhờ quá trình này nước được làm trong và khử được mầu của nước thải. Tuyển nổi: Sử dụng các chất keo tụ nhẹ và trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn tạo thành bọt xốp thu hút chúng lại và kéo theo chúng nổi lên bề mặt nước để thu gom. Có thể tăng cường quá trình tạo bọt keo tụ bằng cách xục không khí vào hỗn hợp nước thải và chất keo tụ nhẹ. Hấp thụ và hấp phụ: Tách chất bẩn và khí hoà tan bằng cách liên kết các chất đó lên bề mặt chất rắn (hấp phụ). Các chất hấp phụ là những chất có hoạt tính bề mặt như bentônit, than hoạt tính, nhựa hấp phụ... Trích ly: Sử dụng các dung môi không tan trong nước và độ hoà tan chất bẩn lớn hơn độ hoà tan chất bẩn của nước. Sau đó tách dung môi và chất bẩn ra khỏi nước, cất thu hồi dung môi để loại chất bẩn. Cô chân không: Nước thải được đưa vào hệ thống cô để bay hơi, nước được tách ra dưới dạng ngưng tụ và được quay vòng lại sản xuất. Các chất khô còn lại được đưa vào hệ thống sấy khô có thể sử dụng như là các chất bổ xung vào thức ăn chăn nuôi. Dạng này sử dụng phổ biến ở các nhà máy sản xuất sinh khối nấm men với chu trình nước khép kín ở Liên Xô cũ như nhà máy Kirov [22]. Trao đổi ion: Là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi ion. Phương pháp này thường sử dụng để tách các ion kim loại nặng ra khỏi nước. Tách thẩm tích: Là phương pháp tách các chất bẩn ra khỏi nước bằng cách phân ly thẩm tích qua màng bán thấm. Đốt để thu hồi các hoá chất: Phương pháp này thường được sử dụng ở các nhà máy sản xuất bột giấy nấu sunphat. Dịch kiềm đen trong đó có chứa Na2S, NaOH và các chất hữu cơ được đưa vào lò hơi đốt cùng với than hoặc dầu để tạo ra năng lượng. Chất tro có chứa NaOH được tái sử dụng trong sản xuất. 3.4. Phương pháp xử lý sinh học Đây là phương pháp sử dụng phổ biến nhất để làm sạch nước thải, đặc biệt là đối với nước thải công ngiệp có chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ. Ưu điểm lớn của phương pháp này là rẻ tiền hiệu quả cao và làm sạch nước thải một cách triệt để đảm bảo tiêu chuẩn thải ra môi trường. Phương pháp sinh học được chia ra nhiều phương pháp dựa vào bản chất của quá trình sinh học. Theo cách phân chia này có phương pháp xử lý hiếu khí, phương pháp xử lý hỗn hợp, phương pháp yếm khí. Theo công nghệ xử lý người ta chia các phương pháp như sau: Phương pháp xử lý tự nhiên Phương pháp xử lý cưỡng bức. 3.4.1. Phương pháp xử lý tự nhiên Bản chất của phương pháp này là nước thải tự làm sạch ở các lưu vực chứa dưới tác dụng của vi sinh vật và các sinh vật thuỷ sinh có sẵn trong tự nhiên. Phương pháp này bao gồm: 3.4.1.1. Cánh đồng lọc Bản chất của phương pháp này là sử dụng khu hệ vi sinh vật tự nhiên có trong đất kết hợp với canh tác. Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao không phải đầu tư, không tốn năng lượng. Nhưng phương pháp này chỉ áp dụng với nước thải có độ ô nhiễm thấp, không độc với sản xuất nông nghiệp và chỉ áp dụng với các nhà máy ở gần khu vực sản xuất nông nghiệp, có hệ thống mương dẫn nước ra ngoài cánh đồng. Tuy nhiên phương pháp này ít sử dụng vì khó chọn được địa điểm thích hợp để xây dựng nhà máy. 3.4.1.2. Hồ sinh học Hồ sinh học là các lưu vực được đảm nhiệm luôn chức năng để xử lý nước thải bằng sinh học, nước thải trong hồ tự làm sạch trên cơ sở tác dụng của vi sinh vật tự nhiên kết hợp với các sinh vật khác chủ yếu là tảo và động vật nguyên sinh (protoroa). Ưu nhược điểm của phương pháp này: Ưu điểm: Vận hành đơn giản. Không đòi hỏi quản lý thường xuyên. Vốn đầu tư ít. Nhược điểm: Đòi hỏi ở diện tích rộng. Căn cứ vào đặc tính của vi sinh vật và cơ chế xử lý người ta chia làm 3 loại hồ: hồ kỵ khí, hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp, hồ hiếu khí. * Hồ kỵ khí: Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng phương pháp sinh hoá tự nhiên dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Loại hồ này thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp, có độ nhiễm bẩn cao, chiều sâu của hồ phải >4m. * Hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp Với hồ này thường gặp trong điều kiện tự nhiên phần lớn là ao, hồ. ở hồ này thường xảy ra 2 quá trình: quá trình ôxy hoá hiếu khí và phân huỷ kỵ khí. Hồ này hoạt động ở ba vùng khác nhau: Lớp trên là vùng hiếu khí, lớp giữa là vùng trung gian, lớp dưới là vùng kỵ khí, chiều sâu của hồ từ 2-3m. Nguồn ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá các hợp chất hữu cơ ở vùng hiếu khí chủ yếu là ôxy được giải phóng ra trong quá trình quang hợp của rong, tảo dưới tác dụng của bức xạ mặt trời, ôxy khuếch tán qua mặt nước dưới tác dụng của sóng gió. ở vùng kỵ khí các cặn bẩn hữu cơ được vi sinh vật kỵ khí phân huỷ tạo thành CO2 và H2O, H2 và các axit hữu cơ. Các hợp chất này khuếch tán lên phía trên và được vi sinh vật hiếu khí ở vùng trung gian sử dụng tạo thành CO2 được tảo ở lớp trên sử dụng trong quá trình quang hợp. * Hồ hiếu khí Quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí có trong tự nhiên, ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá chủ yếu cho sự khuếch tán không khí qua mặt nước và quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh (rong, tảo). Để đảm bảo ánh sáng cho lớp thực vật thuỷ sinh ở đáy hồ, độ sâu của hồ không lớn (0,6-1,2m). Hồ có tải trọng không cao khoảng 100-300 kg BOD/3 ngày. Thời gian lưu của nước thải 3-7 ngày phụ thuộc vào nhiệt độ của từng mùa. 3.4.2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí cưỡng bức (nhân tạo) 3.4.2.1. Bản chất quá trình xử lý Bản chất của quá trình xử lý hiếu khí cũng diễn ra theo cơ chế ôxy hoá với tác nhân là vi sinh vật. Điểm khác cơ bản của phương pháp xử lý sinh học hiếu khí cưỡng bức so với phương pháp xử lý tự nhiên ở 2 điểm. - ôxy được cung cấp cho quá trình xử lý cưỡng bức nhờ các hệ thống máy nén khí, guồng hoặc bơm hồi lưu qua dàn mưa. - Vi sinh vật sử dụng là tổ hợp vi sinh vật có trong bùn hoạt tính được đưa vào bằng cách quay vòng bùn. Quá trình ôxy hoá các hợp chất hữu cơ bao gồm: + ôxy hoá các hợp chất hữu cơ theo phương trình phản ứng sau. Với các hợp chất không chứa Nitơ: Với hợp chất có chứa Nitơ. Một phần chất hữu cơ có được chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật ( các protein của tế bào) bằng quá trình oxy hoá. + Sinh khối vi sinh vật nếu không được tách ra khỏi nước thải đã xử lý sẽ bị phân huỷ tiếp trong quá trình oxy hoá. (C4-H6NCOOH) + O2à5 CO2+ NH3+ 2H2O Trong điều kiện dư oxy, NH3 dễ dàng oxy hoá tiếp tục để tạo thành NO2- và tiếp tục sau đó tạo thành NO3- 3.4.2.2. Vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước thải Vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước thải phải có các yêu cầu sau: - Có khả năng oxy hoá mạnh các hợp chất hữu cơ. - Kích thước của vi sinh vật lớn, không phải là dạng sợi, tạo nha bào, có khả năng tạo bông hạt kết dính với nhau để tạo bùn sinh học. - Trong một số trường hợp nước thải có chứa các chất hữu cơ phức tạp như các hợp chất clo hữu cơ cần chọn các chủng vi sinh vật đặc biệt có hệ enzim phân huỷ được chúng [10] Với các đặc điểm trên phần lớn các vi sinh vật sủ dụng là vi khuẩn. Ngoài ra một số trường hợp xử lý có thể kết hợp với ,nấm mốc, xạ khuẩn để phân huỷ các chất hữu cơ khó phân huỷ như các hợp chất PCB, Polyclocatechol, polyclophxol... [10] Các vi khuẩn thường dùng để tạo bùn hoạt tính trong xử lý nước thải Pseudononas, Nitrobacter, flavobacterium, Alcaligenes... - Vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện bao gồm các chi: Cellulomonas, Rodopseudomonas, Nitromonas. Ngoài ra tuy không mong muốn nhưng trong bùn hoạt tính sử dụng trong quá trình xử lý nước thải thường gặp vi khuẩn dạng sợi (vi hiếu khí) như microthrix, thiothrix, Besgiata... Trong bùn hoạt tính còn có một thành phần quan trọng là nguyên sinh động vật (Flagellata, Cillata...) Các nguyên sinh động vật có tác dụng làm cho bùn xốp dễ kết lắng và một số loại sử dụng xác vi khuẩn chết làm nguồn thức ăn tạo cho bùn có tỷ lệ vi khuẩn sống cao, hoạt tính mạnh. 3.4.2.3. Các hệ thống xử lý hiếu khí 3.4.2.3.1. Bể aeroten Bể aeroten được dùng phổ biến nhất trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Vi sinh vật được đưa vào dưới dạng huyền phù (bùn hoạt tính) không khí được cấp vào cưỡng bức dưới dạng khí nén hoặc do khuấy bằng tuyếc bin. Sơ đồ hoạt động của hệ thống aeroten được trình bày ở bảng 1 Nướcthải bẩn 1 2 3 4 5 6 Khí Nén Chắn rác Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống aeroten. Chắn rác. Bể lắng sơ bộ, điều hoà lưu lượng điều chỉnh pH và bổ sung các khoáng chất dinh dưỡng. Bể aeroten. Bể lắng. Bơm bùn. Bể xử lý bùn. Bể aeroten có nhiều dạng được phân loại theo nhiều cách khác nhau: Phân loại theo nguyên lý làm việc. Hệ thống có quay vòng bùn. Hệ thống không có tái sinh bùn. Phân loại theo các dạng cấp khí: Bể aeroten có dạng cấp khí sau: 3.4.2.3.2. Cấp khí theo tầng: Thường dùng với các aeroten có chiều sâu lớn,COD ban đầu cao. Phương pháp này giúp giảm chi phí khi nén và làm cho bể aeroten hoạt động hiệu quả ở tất cả các tầng theo chiều sâu của bể. Bể Aerotank Lắng đợt 1 Lắng cuối Nước thải ra sau xử lý Bùn thải Nước thải chưa sử lý Hồi lưu bùn Hình 2 : Sơ đầu cấp khí theo tầng 3.4.2.3.3. Cấp khí theo chiều dọc: Hình thức bố trí ở phía đầu vào mật độ các phân tán, khí dày hơn phía cuối bể. 3.4.2.3.4. Cấp khí theo ngăn: Bể aeroten được chia thành các ngăn. Nước thải đi từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Mức độ cấp khí ở các ngăn khác nhau vừa đảm bảo xử lý triệt để vừa giảm chi phí khí nén. 3.4.2.3.5. Bể hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn. Bể này thường áp dụng khi nước thải được chảy liên tục vào bể aeroten có thiết bị khuấy hoạt động. Nước thải sau khi lắng và bùn hồi lưu được đưa vào nhiều điểm trên bể aeroten. Chất hữu cơ cho vào và nhu cầu ô xy đồng đều theo chiều dài của aeroten, thời gian lưu 3-5 ngày, tải trọng 0,8-2kg BOD5/m3/ngày, thời gian bùn lưu từ 5-15 ngày. 3.4.2.3.6. Bể hiếu khí ổn định - tiếp xúc. Quá trình ổn định - tiếp xúc gồm 2 bể riêng biệt hoặc 2 ngăn riêng biệt để xử lý nước thải và ổn định bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính sau khi đã ổn định trộn với nước thải đưa vào (đã qua lắng hoặc không qua lắng) trong bể tiếp xúc. Sau bể tiếp xúc nước thải qua bể lắng thứ cấp và bùn hồi lưu đưa về ổn định. Phương pháp này được sử dụng để xử lý nước thải với BOD chủ yếu ở dạng lơ lửng và dạng keo, thời gian lưu trong bể ổn định 1,5-5 giờ, thời gian lưu trong bể tiếp xúc hiếu khí 20-40 phút. Tải trọng từ 0,6-0,75 kg/m3/ngày. Hiệu quả xử lý cao. Bể lắng1 Bể lắng1 Bể ổn định bùn Bể tiếp xúc Nước ra Nước thải vào Bùn thải Bùn hồi lưu Hình 3: Sơ đồ bể hiếu khí ổn định - tiếp xúc 3.4.2.3.7. Các thông số cơ bản của aeroten: Trong quá trình vận hành việc theo dõi các thông số của bể aeroten giúp cho quá trình xử lý có hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời giảm khả năng tái nhiễm do vi sinh vật trong bùn hoạt tính bị phân huỷ. Các thông số cần theo dõi là: Thời gian lưu của nước thải: CODv - CODR t = x ( 1 - Zb )K Trong đó: CODv, CODR: Là COD đầu vào và đầu ra.(mg/l). x- là lượng sinh khối vi sinh vật trong bể( mg/l). Zb: Hệ số bùn lắng. K: Hệ số oxy hoá của quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính. (Biểu thị bằng gam BOD/g sinh khối thời gian 1 giờ). Chỉ số thể tích bùn SVI (Slugde volume index). Vl SVI = . 1000 (mg/l) x Trong đó : Vl: diện tích lắng(mg/l). X: Hàm lượng sinh khối có trong 1 mg/l. Chỉ số SVI là thông số biểu thị dung tích lắng của 1g bùn. - Tải trong của bể aeroten.(Kg COD/ m3 ngày). (CODv - CODR) . Df T = . 24 V Trong đó: CODv, CODR là COD đầu vào và ra (mg/l). Df: Vận tốc dòng chảy vào bể (m3/h). V: Thể tích của bể.(m3). Chỉ số tải trọng là khả năng oxy hoá các chất hữu cơ của 1m3 dung tích làm việc của bể aeroten/ ngày. 3.4.2.3.8. Bùn hoạt tính Phương pháp xử lý bùn hoạt tính là phương pháp xử dụng rộng rãi nhất. Bùn hoạt tính là tập hợp vi sinh vật và các chất rắn đã được hoạt hoá. Quá trình hoạt hoá: làm tăng số lượng vi sinh vật trong bùn và làm cho vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải để cho chúng có khả năng sử dụng mạnh các chất hữu cơ có trong nước thải. 3.4.2.4. Lọc sinh học Lọc sinh học là dạng xử lý hiếu khí cũng được sử dụng khá phổ biến. Vi sinh vật trong trường hợp này được sử dụng dưới dạng cố định trên các chất mang. Có hai loại lọc sinh học là loại ngược chiều và xuôi chiều. ở loại đầu nước thải đi từ trên xuống ngược chiều với dòng không khí từ dưới lên. ở loại thứ hai nước thải và khí nén đi cùng chiều từ dưới lên. Ưu điểm chính của lọc sinh học là đỡ tốn diện tích xây dựng. hiệu quả xử lý cao, lượng bùn trong nước thải thấp do đó không gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường. 3.4.2.5. Đĩa quay sinh học RBC RBC bao gồm hệ thống đĩa plastic tràn mỏng được sắp xếp với nhau và được ngâm 40% diện tích vào bể có nước thải chảy qua. Trục quay nằm ngang và các đĩa quay tròn trong môi trường nước thải. Vi sinh vật tạo thành màng sinh học cố đinh trên mặt đĩa, khi đĩa quay vào nước thải, các chất hữu cơ có trong nước bị vi sinh vật hấp phụ và phân huỷ. Khi màng quay ra khỏi mặt nước, nhờ oxy của không khí vi sinh vật sẽ oxy hoá các chất hữu cơ đã hấp thụ trên mặt đĩa. Ưu, nhược điểm của phượng pháp này. Ưu điểm: - Diện tích không rộng. Trang thiết bị đơn giản. khả năng tải trọng cao. Nhược điểm: - Màng vi sinh vật dễ bị vỡ trong quá vận hành làm giảm hiệu quả xử lý. - Không sử dụng được với nước thải có COD ban đầu cao. Màng vi sinh vật là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của RBC. Lớp màng này dày khoảng 0,16- 0.323 cm. Vi sinh vật trong màng sinh học, đĩa quay thường là các loại vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện như: Preudomonas, micrococcurs, còn các vi khuẩn hiếu khí là Bacillus ở lớp trên màng sinh học. Nhịêt độ mức 20-32oC không ảnh hưởng đến quá trình hạot động của hệ thống xử lý nước thải kiểu này. Tuy nhiên nhiệt độ giảm xuống dưới 13oC thì hiệu quả xử lý giảm đáng kế. Để đạt hiệu quả xử lý cao, phía trên của hệ thống cần phải thoáng khí. 3.4.2.6. Phương pháp xử lý bể yếm khí (bể biogar) Là phương pháp sử dụng phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải có các chất hữu cơ chứa hàm lượng nitơ cao như các nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản, lò mổ, nước thải chăn nuôi. Xử lý được tiến hành ở các bể biogar. Có hai quá trình xảy ra trong khi xử lý yếm khí. - Quá trình thuỷ phân và axit hoá các chất hữu cơ. - Quá trình Metan hoá. Sản phẩm thu được của quá trình xử lý yếm khí là khí metan và nước thải đã được xử lý khỏi các chất hữu cơ [7]. Ưu, nhược điểm của phương pháp xử lý. Ưu điểm: - Quá trình xử lý yếm khí là các hợp chất Nitơ không bi Nitơrat hoá. Trong xử lý yếm khí xảy ra quá trình khử nitơrat tạo ra NH4+ do đó nước thải không còn độc đối với hệ sinh thái. Nhược điểm: - Thời gian xử lý kéo dài. - Tốn diện tích. Phần II: Vật liệu và phương pháp 1. Vật liệu 1.1. Mẫu nước thải - Nước thải được lấy tại các điểm đầu vào của bể chứa dây chuyền bia Phúc Yên và bia Tây Hồ. Mẫu của nước thải được bảo quản ở 4oC trong tủ lạnh. Sau đó dùng để phân tích và xử lý. - Bùn của nước thải bia Tây Hồ và làng bún Phú Đô. 1.2. Hoá chất * Sử dụng các hoá chất thông dụng trong phòng thí nghiệm nuôi cấy vi sinh vật. *Hoá chất phân tích dùng loại PA. . K2HPO4 Việt Nam . KH2PO4 Việt Nam . K2Cr2O7 Đức . (NH4)Fe(SO4)2 Muối Morh . FeCl3.6H2O Đức . CaCl2 Việt Nam . MnSO4.2H2O Trung Quốc . MgSO4 Việt Nam . Na2SO3 Việt Nam . Na2S2O3 chuẩn 0,1N Việt Nam . KOH Việt Nam . NaOH Việt Nam . KI Trung Quốc . I2 Trung Quốc . NaN3 Đức . Tinh bột tan Trung Quốc 1.3. Thiết bị Kính hiển vi quang học Olimpus(Nhật). Cân phân tích (Anh). Bình xác định BOD chuẩn(Mỹ, Thuỵ Điển). - Bình xác định COD (Trung Quốc). Máy lắc. Máy ly tâm T24(Đức). Máy xục khí. Tủ ấm(Liên Xô). Máy đo pH (pH rueter Mettr Toledo 320)Anh. Máy so màu pharmacia (Thuỵ Điển). Sinh hàn ngược (Trung Quốc). Pipet tự động (Nhật) 2. Xác định thành phần vi sinh vật Số lượng vi sinh vật trong mẫu được xác định theo phương pháp pha loãng tới hạn, đếm số lượng khuẩn lạc trên môi trường thạch [1]. - vi khuẩn xác định trên môi trường MPA Nấm mốc xác định trên môi trường Czapek nấm men xác định trên môi trường Hansen 3. Phương pháp nghiên cưú nước thải 3.1. Chuẩn bị mẫu Mẫu cần được xác định phải ly tâm để tách hết sinh khối, được xác định ngay hoặc bảo quản trong tủ lạnh trong trường hợp chưa kịp xác định. 3.2. Xác định COD COD được tiến hành xác đinh theo phương pháp hồi lưu hở với K2Cr2O7 [17,18,21]. Phương pháp bicromat được thể hiện ở phương trình sau: 6e- (chất khử) + 14 H+ + Cr2O72- = 2Cr3+ + 7H2O. * Hoá chất của phương pháp. - Dung dịch H2SO4 + AgSO4: Cân 4g Ag2SO4 cho hoà tan 1lit H2SO4 đặc lắc để tan qua một ngày mới dùng. -K2Cr2O7 (0,25N): Cân 12,258g K2Cr2O7 pha vào 1 lít nước cất. -Chỉ thị màu Nphenyl antralic axit: Cân 0,25g pha trong 12ml dung dịch NaOH 0,1N . Sau đó pha loãng H2O đến 250ml bằng nước cất. -Muối FAS (0,25N): Cân 98g muối Fas pha vào 500ml nước cất cho tan bổ sung thêm 20ml H2SO4 đặc. Định mức đủ 1000 ml. Chuẩn độ theo K2Cr2O7: Nồng độ thật của dung dịch muối FAS được tính theo công thức Lượng dung dịch K2Cr2O7 N(Fas) = . 0,25 Lượng dung dich Fas tiêu tốn,ml * Cách tiến hành: Lấy 25ml mẫu cho vào bình phản ứng dung tích 250ml. Bổ sung 50 ml K2Cr2O7 0,25N . Cho 3ml H2SO4đặc đã pha AgSO4. Cho 0,4g HgSO4. Vài mảnh thuỷ tinh. Lắp vào hệ thống sinh hàn ngược. Bổ sung tiếp 72ml H2SO4đặc có pha Ag2SO4 qua sinh hàn. Đun sôi nhẹ 2 giờ. Để nguội, rửa sinh hàn bằng 100 ml nước cất. Cho 5-10 giọt chỉ thị màu. Chuẩn độ bằng dung dịch muối Fas 0,25N . Dung dịch từ màu vàng đỏ chuyển sang mầu vàng xanh thì kết thúc. Song song với mẫu thí nghiệm, tiến hành với mẫu trắng các bước như trên nhưng thay 25ml mẫu bằng 25ml nước cất. Tính COD theo công thức: (A - B). N . 8000 COD = ,[ mgO2/l] ml mẫu Trong đó: A - Là số ml dung dịch Fas đã chuẩn mẫu trắng. B - Số ml dung dịch Fas đã chuẩn mẫu nước thải. N - Nồng độ mol của dung dịch Fas. 3.3. Xác định DO[17,18,21] Để xác đinh BOD thường tiến hành xác định DO trước và sau khi nuôi. * Hoá chất xác định BOD. - Đệm phophat: pH = 7,2. Cân 8,5g KH2PO4 + 21,75 K2HPO4 + 33,4g Na2HPO4.7H2O + 1,7g NH4Cl pha trong một lít nước cất. Dung dịch MgSO4 cân 22,5g MgSO4.7H2O pha trong một lít H2O cất. Dung dịch CaCl2 cân 27,5g trong một lít H2O cất. FeCl3.6H2O: Cân 0,25g pha trong 1lít H2O cất. MnSO4.2H2O: Cân 480g pha trong 1lít nước cất. KOH: Cân 700g KOH + 150 KI pha trong 700ml nước cất . Cân tiếp 10g NaN3 pha trong 40ml nước cất. Định mức đến 1 lít. Na2S2O3: Cân 12,4g Na2S2O3.5 H2O và 0,2g Na2SO3 pha trong một lít nước cất.hoặc dùng nồng độ chuẩn 0,1N pha loãng tới nồng độ 0,025N H2SO4đặc. Tinh bột tan 0,5% : Cân 0,5g tinh bột pha trong 5ml nước cất, đun sôi 90ml nước cất cho tinh bột vào khuấy tan hết đưa đến 100ml. * Cách tiến hành: Cho lượng nước pha loãng + mẫu vào bình BOD tối màu dung tích 250-300ml. Đậy nút cho tràn nước để không tạo bọt khí trong bình. Bổ sung vào 2,0ml MnSO4. Cho tiếp 2,0ml dung dịch KOH + NaN3 + KI . Đậy nút lại và lắc quay ngược lại 15 lần. Để cặn lắng. Mở nút cho vào 2,0 ml H2SO4 đặc. Đậy nút tránh tạo bọt khí. Lắc 15 lần. Cho ra bình tam giác 250, rửa sạch bình BOD bằng nước cất. Chuẩn độ bằng Na2S2O3(0,025N) đến màu vàng nhạt. Gần hết I2 cho tinh bột . Chuẩn độ tới khi mất màu. Công thức tính DO.  a . k .N . 8000 DO, mg/l = V1- V2 Trong đó: a: thể tích dung dịch Na2S2O3 tiêu tốn, ml. k: Hệ số hiệu chỉnh nồng độ Na2S2O3. N: Nồng độ đương lượng của Na2S2O3. 8 :Đương lượng của O2. V1:Thể tích bình BOD, ml. V2: Lượng chất phản ứng bổ sung vào bình khi xác định DO, ml 3.4. Xác định BOD5 [17,18,21] BOD5 được xác định bằng lượng oxy hoà tan (DO) đã bị sử dụng trong 5 ngày khi nước thải được nuôi cấy ở 20oC trong bóng tối * Chuẩn bị nước pha loãng: Nước cất 2 lần bổ sung 1ml/l các dung dịch đệm phosphat, MgSO4, CaCl2, FeCl3. Xục không khí 30 phút để bão hoà oxy. * Xác định độ pha loãng của mẫu. Từ gía trị COD đã xác định ở trên tra bảng hoặc tính độ pha loãng cần thiết của mẫu để xác định BOD sao cho lượng oxy hoà tan được vi sinh vật sử dụng để oxy hoá chất hữu cơ trong nước thải sau 5 ngày không < 3mg/l. * Xác định DO của nước thải trước khi nuôi như phương pháp đã trình bày ở phần trên. * Đậy kín bình để ở 20 oC trong bóng tối 5 ngày . * Xác định DO sau 5 ngày nuôi. Kết quả được tính như sau: D1 – D2 BOD5(20), mg/l = p Hoặc: D1 – D2 – (B1- B2).f BOD5(20), mg/l = p Đối với nước thải phải cấy vi sinh vật . Với: D1- DO ban đầu của mẫu nước thải (mg/l). D2- DO cuối cùng của mẫu nước thải (mg/l). D1- DO ban đầu của mẫu phải cấy vi sinh vật (mg/l) mẫu đối chứng. B2- DO cuối cùng của mẫu nước phải cấy vi sinh vật f: Hệ số tỷ lệ vi sịnh vật cấy vào mẫu so với mẫu đối chứng. P : Phần thể tích của nước thải trong mẫu đã pha loãng. 3.5. Xác định chất rắn tổng số TS [ 17] Tổng lượng rắn là lượng chất rắn còn lại trong bình sau khi chưng bốc mẫu nước và sấy mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ nhất định. Tiến hành xác định: Sấy ống Ependor ở nhiệt độ 65oC cho tới trọng lượng không đổi. Cho lượng mẫu thích hợp vào ống. Đun cách thuỷ trên bếp đến cạn. Sấy ở nhiệt độ 65oC cho tới trọng lượng không đổi . Công thức tính: (A- B).1000 TS = ,[mg/l] V Trong đó: A: Khối lượng của cặn và của ống sau khi sấy ,mg. B: Khối lượng ống, mg. V: Thể tích mẫu,ml. 3.6. Xác định chất rắn huyền phù SS [17] Cách tiến hành giống như phần xác định chất rắn tổng số, nhưng khác ở chỗ cho lượng mẫu thích hợp vào ống, ly tâm ở 10.000 vòng/phút trong 5-7 phút. Bỏ phần nước đi . Sấy khô ở 65oC cho tới trọng lượng không đổi. Công thức tính: ((A – B ) . 1000 SS = [ mg/l] Thể tích mẫu, ml Trong đó: A: Khối lượng ống và cặn, mg. B: Khối lượng ống ,mg. Phần III: Kết quả và thảo luận 1. Các chỉ tiêu của nước thải nhà máy bia Xác định các chỉ tiêu của nước thải có ý nghĩa hết sức quan trọng. Nó giúp ta đánh giá được mức độ ô nhiễm của nước thải và lựa chọn phương pháp xử lý hích hợp. ở mỗi cơ sở sản xuất để đảm bảo được tiêu chuẩn nước thải ra môi trường người ta phải thường xuyên lấy mẫu phân tích để đánh giá các chỉ tiêu của nước thải. Theo quy định của nhà nước ta, nước thải xả ra môi trường phải có các chỉ tiêu thấp hơn các chỉ tiêu theo TCVN 5945- 1995 Bảng 2. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945- 1995 Chỉ tiêu Đơn vị Mức cho phép A B COD mg/l < 50 <100 BOD mg/l < 20 <50 SS mg/l < 50 <100 pH 6,5- 7,5 6-9 Trong nghiên cứu này mẫu nước thải 2 nhà máy bia Tây Hồ và Phúc Yên đã được xác định để đánh giá mức độ ô nhiễm và làm cơ sở cho các nghiên cứu xử lý chúng. BOD, COD được xác định theo phương pháp chuẩn quốc tế các chất thải rắn lơ lửng (SS), các chất rắn hoà tan được xác định như đã nêu ở phần phương pháp. Kết quả phân tích được trình bầy ở bảng 3. Bảng 3: Các chỉ tiêu sinh hoá của nước thải nhà máy bia Chỉ tiêu Đơn vị Nhà máy bia Phúc Yên Nhà máy bia Tây Hồ COD mg/l 1608 1936 BOD mg/l 1244 1287 SS mg/l 0,75 36,5 TS mg/l 58,5 53,5 pH 5,0 6,0 Qua kết quả phân tích ở bảng trên ta thấy nước thải của công nghiệp bia có độ nhiễm bẩn các chất hữu cơ khá cao. COD > 1500, BOD > 1000 ở cả hai dây chuyền cao hơn rất nhiều lần so với chỉ tiêu cho phép. Vì vậy việc xử lý nước thải này là cần thiết. Nước thải của cả hai nhà máy đều có tỉ lệ BOD/COD >0,6 điều đó chứng tỏ nước thải của nhà máy bia có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân huỷ cao. Điều này cho thấy đối với nước thải của nhà máy bia sử dụng theo phương pháp sư lý sinh học là có hiệu quả. 2. Xác định thành phần và số lượng vi sinh vật trong nước thải Chỉ tiêu thành phần và số lượng vi sinh vật trong nước thải nói riêng và trong nước nói chung có liên quan mật thiết đến các chỉ tiêu sinh hoá của nước. Số lượng vi sinh vật cao ở nước thải nhiễm chất hữu cơ cao và không độc. vi sinh vật trong nước thải có nhiều nhóm đặc trưng cho thành phàn các hợp chất hữu cơ có trong đó. Những nước thải có các chất hữu cơ độc thì chỉ có các nhóm vi sinh vật có khả năng thích nghi mới tồn tại được. Để chọn được tổ hợp các chủng vi sinh vật thích hợp cho việc xử lý nước thải chúng tôi đã tiến hành phân tích các nhóm vi sinh vật có trong nước thải của hai cơ sở sản xuất bia Phúc yên và Tây Hồ. Kết quả được trình bày ở bảng 4. Bảng 4: Thành phần và số lượng vi sinh vật trong nước thải của nhà máy bia Nhóm vi sinh vật Số lượng vi sinh vật (CFU/ml) Phúc Yên Tây Hồ Vi khuẩn 4.107 5.107 Nấm mốc 2.103 3.104 Nấm men 3.106 2.105 Qua kết quả ở bảng trên ta thấy số lượng vi sinh vật trong hai mẫu nước thải ở mức tương đối cao và gồm đủ cả ba nhóm và phân tích. Số lượng vi sinh vật cũng tương đương với các mẫu nước thải của cơ sở chế biến thực phẩm có nguồn gốc từ tinh bột [3]. Ngoài ra về chủng loại cũng tương đối phong phú. Vi khuẩn cả hai mẫu phân tích cho thấy có khoảng từ 5 đến 7 loại khác nhau. ở nấm mốc thường gặp 2 loại là mốc đen và mốc trắng. Không thấy có các loài thuộc chi penicillium còn nấm men chủ yếu là loài sử dụng trong nên men bia. ở mẫu nước thải Phúc yên có cả các loài men dại. 3. Tạo bùn hoạt tính từ bùn và nước thải Bùn hoạt tính là tổ hợp các chủng vi sinh vật đã được hoạt hoá dùng để xử lý nước thải. Quá trình hoạt hoá vi sinh vật để tạo bùn hoạt tính có hai mục đích: - Tăng số lượng vi sinh vật trong bùn. - Làm cho vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải để cho chúng có khả năng sử dụng mạnh các chất hữu cơ có trong nước thải. Bùn của cơ sở sản xuất Tây Hồ và bùn của nước thải làng bún Phú Đô được hoạt hoá trên môi trường tạo bùn (thành phần môi trường ở phụ lục 2). Bùn được tạo thành được xác định số lượng vi khuẩn hiếu khí và nấm mốc. Kết quả được trình bày ở bảng 5. Bảng 5: Số lượng vi sinh vật trong bùn sau khi đã hoạt hoá Vi sinh vật Bùn Tây Hồ (CFU/ml) Bùn Phú Đô (CFU/ml) Vi khuẩn 3.1012 2.1011 Nấm mốc 1.107 2.108 Kết quả phân tích ở trên cho thấy sau khi đã được hoạt hoá số lượng vi sinh vật đã tăng lên rất nhiều lần so với mẫu bùn và nước thải. Các mẫu bùn này được sử dụng để xử lý nước thải ở các thí nghiệm tiếp theo. - Bùn Tây Hồ (B1) - Bùn Phú Đô (B2) - Bùn hỗn hợp Phú Đô - Tây Hồ tỉ lệ 1:1 ký hiệu (B3) 4. Chọn loại bùn để xử lý nước thải Để xử lý triệt để nước thải chủng loại bùn hoạt tính sử dụng có ý nghĩa quan trọng. Nước thải được pha loãng tới COD ban đầu thích hợp và xử lý bằng cách sục khí liên tục trong bình nhựa có dung tích là 250ml. Tốc độ sục khí theo tỉ lệ 1:1:1 ( 1lít không khí: 1lít nước: 1 phút). Mẫu nước thải được phân tích chỉ tiêu COD ở thời điểm 12 giờ và 24 giờ. kết quả được trình bầy ở bảng 6. Lượng bùn đưa vào xử lý là 2,9 g/l. Bảng 6. ảnh hưởng của các loại bùn lên khả năng xử lý nước thải Loại bùn COD(mg/l) 0 giờ (h) 12 giờ (h) 24 giờ (h) B1 704 285,4 60,72 B2 704 249,7 65,08 B3 704 156,8 35,68 ĐC 704 378,4 142,72 Qua kết quả ở bảng trên ta thấy tổ hợp từng loại bùn riêng rẽ mẫu B1, B2 đều có khả năng xử lý tốt hơn đối chứng (không có bùn, quá trình làm sạch do vi sinh vật có sẵn trong nước thải). ở thời điểm xử lý 24 giờ các mẫu thí nghiệm cho COD < 100mg/l dưới mức cho phép theo TCVN - 5945, trong khi đó mẫu đối chứng COD vẫn còn 142,72. Tổ hợp 2 loại bùn trên với tỉ lệ 1:1 khả năng xử lý tốt hơn, COD giảm nhanh hơn và xử lý triệt để hơn. Điều này có thể do khi tổ hợp bùn làm tăng số chủng loài vi khuẩn do đó tăng khă năng xử lý. Nước thải nhà máy bia có chứa lượng tinh bột cao, nên các chủng vi khuẩn ở bùn Phú Đô có nhiều chủng có khả năng sử dụng tốt tinh bột. Mẫu bùn B3 dược sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 5. ảnh hưởng của nồng độ muối khoáng đến khả năng xử lý nước thải của vi sinh vật Để cho vi sinh vật phát triển nhu cầu vè dinh dưỡng phải cân đối trong đó quan trọng nhất là tỷ lệ C:N:P. Thông thường trong nước thải nguồn cacbon là các chất hữu cơ có trong nước thải là khá cao nhưng các muối khoáng cần thiết để cho vi sinh vật phát triển thường không đầy đủ. Vi vậy việc bổ sung các muối khoáng để cho vi sinh vật phát triển và giúp cho quá trình xử lý nước thải có hiêụ quả hơn. nước thải được xử lývới mẫu bùn B3 ở nhiệt độ 25-30C, lượng không khí cấp cho xử lý theo tỷ lệ 1:1:1. Nước thải đưa vào xử lý được bổ xung 2 loại muối khoáng là ure và KH2PO4.. Kết quả xử lý được trình bày ở bảng 7. Bảng 7. ảnh hưởng của nồng độ muối khoáng đến khả năng xử lý nước thải Nồng độ muối khoáng g/l COD mg/lit BOD mg/lit urê KH2PO4 0h 12h 0h 12h 0,75 0,375 704 321 390 127 1,0 0,5 704 135 390 65 1,5 0,75 704 178 390 87 ĐC ĐC 704 510 390 205 Qua kết quả ở bảng7, cho thấy khi có bổ xung các muối khoáng nước thải được xử lý nhanh hơn và triệt để hơn. Sau 12 giờ xử lý COD của nước thải giảm từ 704 mg/l xuống còn 65-107mg/l ở các nồng độ muối khoáng khác nhau. Mẫu đối chứng không bổ sung muối khoáng COD và BOD đều giảm chậm hơn so với các mẫu thí nghiệm. ở nồng độ muối khoáng ure 1g/l, KH2PO4 0,5g/l cho biết kết quả xử lý tốt nhất. Nồng độ muối khoáng trên cũng nằm trong khoảng nồng độ của các môi trường nuôi cấy vi sinh vật. Điều đó chứng tỏ quy luật phát triển của tập hợp các chủng vi sinh trong xử lý nước thải gần giống với quy luật phát triển chung của vi sinh vật. 6. ảnh hưởng của nồng độ bùn hoạt tính lên khả năng xử lý nước thải Trong xử lý nước thải bùn hoạt tính đóng vai trò là tác nhân oxy hoá các chất hữu cơ. Thực chất là các vi sinh vật trong bùn hoạt tính giữ vai trò này.ảnh hưởng của nồng độ bùn lên qúa trình xử lý cũng tương tự như ảnh hưởng của tỷ lệ giống trong quá trình lên men.Về nguyên lý lượng bùn càng lớn thì khả năng xử lý càng cao. Tuy nhiên xét về mặt kinh tế thì lại không hoàn toàn như vậy. Trong xử lý nước thải với cùng một dung tích bể xử lý với lượng bùn thì lượng nước thải sẽ giảm và như vậy tải trọng của bể xử lý sẽ giảm. Như vậy lượng bùn trong xử lý được chọn tối ưu sao cho vừa có khả năng xử lý tốt vừa không làm giảm nhiều đến lượng nước thải đưa vào xử lý. Kết quả xử lý nước thải với các tỷ lệ bùn hoạt tính B3 khác nhau được trình bày ở bảng 8. Bảng 8. ảnh hưởng của nồng độ bùn lên quá trình xử lý nước thải (thời gian 6 giờ, không khí 1:1:1). Lượng nước thải ml Lượng bùn ướt ml Trọng lượng bùn khô g/l Giảm COD% so với ban đầu 245 5 0,232 50 235 15 0,696 71 230 20 0,928 75 220 30 1,392 80 Qua kết quả ở bảng trên với lượng bùn thấp 50%, 5ml/250ml COD giảm chậm hơn nhiều so với các mẫu xử lý với lượng bùn cao hơn(71-80%). Tuy nhiên ở nồng độ bùn 30ml/250ml, COD giảm tốt hơn nhưng so với nồng độ bùn 15-20ml/250ml, xử lý lượng bùn ở 30ml/ 250 ml COD giảm hơn không đáng kể, xét về mặt kinh tế thì lượng bùn sử dụng với tỷ lệ từ15-20ml/250ml (0,7-1,0g bùn khô/l) hoặc tương đương với (2,8-3,2g bùn ướt/l) cho hiệu quả xử lý tốt hơn. Chỉ tiêu này có ý nghĩa rất lớn trong khi thiết kế hệ thống xử lýcũng như trong quá trình vận hành bể xử lý ở các cơ`sở sản xuất. 7. Xác định mức độ ấp khí cho quá trình xử lý Trong qúa trình xử lýnước thải ở các bể aeroten oxy được cung cấp thông qua việc cấp khí nén vào bể sử lý. Vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan để oxy hoá các chất hữu cơ để làm sạch nước thải. Lượng khí nén cung cấp vào có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xử lý. Khi lượng oxy cấp vào thấp trao đổi chất yếu dẫn đến quá trình xử lý kéo dài. khi nồng độ oxy qúa cao một mặt vừa không kinh tế vì tốn năng lượng một mặt nồng độ oxy vượt quá giới hạn sẽ ức chế một số loại vi sinh vật cũng làm chậm quá trình xử lý. Để xác định lượng oxy tiêu thụ trong quá trình xử lý, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp xác định lượng oxy hoà tan tiêu tốn trong một đơn vị thời gian bằng chỉ số sulphit. Với các tỷ lệ thông khí khác nhau lượng oxy cấp vào và ảnh hưởng của nó lên quá trình xử lý được trình bày ở bảng 9. Bảng 9. ảnh hưởng của chế độ thông khí lên quá trình xử lý nước thải Chế độ thông khí Lượng ôxy cấp vào mg/l.ph COD mg/lit 0h 12h 24h 2:1:1 40 968 33,28 66,56 1:1:1 16 968 66,56 99,84 0,75:1:1 12 968 99,89 133,12 0,5:1:1 6 968 135 63,28 Qua kết quả ở bảng trên ta thấy với các tỷ lệ thông khí từ 0,75-2lít không khí trên một lít nước trong một phút cho kết quả xử lý tốt COD giảm từ 968 xuống dưới 100 sau 12 giờ . Kéo dài quá trình xử lý ở các độ thông khí này tới 24 giờ. COD hơi tăng trở lại do nguồn dinh dưỡng trong môi trường hết vi sinh vật chuyển sang pha suy vong. Chất hữu cơ của tế bào vi sinh vật chết tan vào môi trường làm cho COD tăng, còn ở tỷ lệ thông khí (0,5:1:1) quá trình xử lý kéo dài hơn. COD giảm xuống 100 sau 24 giờ xử lý. Xét về hiệu quả kinh tế thì tỷ lệ thông khí từ (0,75-1):1:1 là phù hợp với quá trình xử lý, kết quả cũng tương ứng với các kết quả nghiên cứu về lên men của phần lớn các chủng vi sinh. 8. ảnh hưởng của COD ban đầu lên quá trình xử lý Quá trính xử lý nước thải phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố trong đó có COD đầu vào của nước thải. COD đầu vào là yếu tố quan trọng để tính toán các thông số của bể aeroten như: lưu lượng nước vào, thời gian lưu, năng suất xử lý... Đối với mỗi loại nước thải tùy thuộc vào bản chất các chất hữu cơ có trong nước thải khi xử lý, người ta cần phải xác định COD ban đầu của nước thải ở mức độ nhất định sao cho hiệu quả xử lý của bể aeroten đạt tối ưu. COD ban đầu quá cao làm cho quá trình xử lý kéo dài , tăng thời gian lưu của nước thải, giảm lưu lượng đầu vào của nước thải, do đó bể aeroten làm việc không hiệu quả. Mặt khác khi COD quá cao dẫn đến COD đầu ra cao nước thải không đủ tiêu chuẩn thải ra môi trường. Đối với nước thải có COD ban đầu quá cao >2000 mg/l, trong xử lý người ta thường quay vòng nước thải đã xử lý để pha loãng nước đầu vào, sẽ đảm bảo cho COD ở mức độ phù hợp cho quá trình xử lý, Trong nghiên cứu này nước thải nhà máy bia Tây Hồ với COD ban đầu là 1805 mg/l và mẫu pha loãng với COD ban đầu là 963 mg/l được xử lý ở cùng chế độ sục khí tỷ lệ là 1:1:1, nồng độ muối khoáng như nhau ure: 1g/l, KH2PO4 : 0,5g/l tỷ lệ bùn: 2,9g/l. Kết quả được trình bày ở bảng 10. Bảng 10. ảnh hưởng của COD ban đầu lên quá trình xử lý nước thải nhà máy bia. Thời gian (h) COD mg/l Mẫu nước thải nguyên Mẫu pha loãng 0 1805 963 6 1427 392 12 297,3 35,7 Qua kết quả ở bảng trên ta thấy với COD ban đầu khác nhau tốc độ xử lý rất khác nhau. Với COD ban đầu 1805 mg/l sau 6 giờ COD mới giảm được hơn 300 mg/l và sau 12 giờ xử lý cod vẫn còn ở mức 297,3 mg/l. Còn với COD ban đầu 963 mg/l sau 6 giờ xử lý giảm được gần 600 mg/l, gấp 2 lần so với mẫu có COD ban đầu cao. Sau 12 giờ xử lý COD đã giảm xuống 100 mg/l. Kết quả nghiên cứu trên cũng phù hợp với các nghiên cứu của nhiều tác giả. Như vậy đối với nước thải nhà máy bia, nước thải đầu vaò xử lý nên pha loãng cho tới COD ban đầu từ 900-1200 mg/l thì hiệu quả xử lýsẽ tốt hơn, thời gian xử lý ngắn hơn. 9. Động thái quá trình xử lý Trong các quá trình công nghệ sử dụng vi sinh vật, động thái sinh trưởng và phát triển luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Từ đồ thị động thái người ta xác định được chính xác thời điểm kết thúc của quá trình sao cho có lợi nhất. Đối với xử lý nước thải nghiên cứu động thái của quá trình giúp ta xác định được thời gian xử lý thích hợp để thu hiệu quả xử lý cao và chi phí thấp. Động thái của quá trình xử lý nước thải nhà máy bia với COD ban đầu khác nhau được trình bày ở bảng 11 và hình 1. Bảng 11. Động thái của quá trình xử lý nước thải nhà máy bia Thời gian xử lý COD mg/l Nước thải nguyên Nước thải pha loãng 0 1805 963 3 1725 718 6 1427 392 9 873 125 12 297 35,7 24 237 153,2 30 375 37,6 Qua kết quả ở bảng 11 và đồ thị 1 ta thấy ở các COD khác nhau, mức độ giảm COD theo thời gian ở mẫu COD cao (1805 mg/l).COD giảm xuống thấp nhất ở thời điểm 24 giờ đạt tới 237 mg/l,sau đó lại tăng lên. Còn ở mẫu có COD ban đầu thấp (963 mg/l), COD giảm xuống thấp nhất ở 12 giờ (35,7 mg/l) và sau đó tăng lên 153,2 mg/l ở thời điểm 24 giờ và đến 30 giờ lại giảm xuống 37,6 mg/l. Như vậy với COD ban dầu với 1805 mg/l thời điểm kết thúc xử lý ở 24 giờ còn COD ban đầu (963 mg/l) thời điểm thích hợp để kết thúc xử lý là 12 giờ. Tuy nhiên đối với mẫu COD cao ở thời điểm kết thúc COD vẫn cao hơn mức cho phép (100 mg/l) vì vậy nước thải không thể đổ ra môi trường được và cần phải tiến hành xử lý thêm một cấp nữa. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu ở tren có thể rút ra các kết luận sau: 1. Đã xác định được các chỉ tiêu hoá lý và sinh hoá của nước thải. COD, BOD, TS, SS, pH. Từ các chỉ tiêu cho thấy nước thải nhà máy bia có độ nhiễm bẩn cao. 2. Đã xác định số lượng của các nhóm vi sinh vật ở nước thải và sử dụng chúng tạo bùn hoạt tính dùng để xử lý nước thải. Các kết quả cho thấy số lượng vi khuẩn, nấm mốc, nấm men trong nước thải ở mức độ trung bình. Bùn hoạt tính được tạo thành từ hỗn hợp bùn Phú Đô và Tây Hồ có khả năng xử lý tốt nước thải nhà máy bia. 3. Đã xác dịnh được các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình xử lý. Quá trình xử lý tốt nhất với nước thải có COD ban đầu xấp xỉ 1000 mg/l, nồng độ muối khoáng ure: 1g/l, KH2PO4 : 0,5g/l, tỷ lệ thông khí 1:1:1 tương đương 16 mg O2/l : phút. 4. Xác định được tỷ lệ bùn thích hợp sử dụng trong xử lý nước thải xấp xỉ 3,0g/l. 5. Thời gian thích hợp để xử lý với nước thải có COD ban đầu thấp (xấp xỉ 1000mg/l) là 12 giờ, đối với nước thải có COD cao (>2000mg/l) phải kéo dài từ 24 giờ trở nên. Vì vây cần thiết phải xử lý kéo dài thêm trước khi đổ ra môi trường. Phụ lục 1. Môi trường MPA(g/l) Cao thịt 3g Pepton 10g thạch bột 15g Nước 1lít 2. Môi trường Hansen (g/l) Glucose 50g Pepton 10g KH2PO4 3g MgSO4.7H2O 3g Cao men 3g Thạch bột 15g Nước 1lít pH 7 3. Môi trường Czapek- DOX(g/l) NaNO3 3,5g K2HPO4 1,5g MgSO4.7H2O 0,5g KCl 0,5g FeSO4 0,1g Saccaroza 30g Thạch bột 20g Nước 1lít pH 7 Tất cả các môi trường trên đều khử trùng 0,8atm ở 40 phút. 4. Môi trường nhân bùn hoạt tính Rỉ đường 50ml Nước thải 300ml Bùn 100ml KH2PO4 1,5g/l (NH)2SO4 3g/l Lắc nhiệt độ phòng 200 vòng/ phút