Đồ án Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí

ột dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng sinh hóa, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các vi sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vi khuẩn khử sunfat. Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, nếu trong nước thải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ cạnh tranh với các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfit. Điều này không những sẽ ảnh hưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi cho quá trình vận hành hệ thống. b) Nấm men Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổn định, nó phụ thuộc vào tuổi của nấm men và điều kiện nuôi cấy. Thường chúng có hình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài. Một số loài nấm men có tế bào hình dài nối với nhau tạo thành những sợi nấm gọi là khuẩn ty (mycelium) hay khuẩn ty giả (pseudomycelium). Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 -10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình của nầm men là: chiều dài 9 – 10 μm, chiều rộng 2 – 7 μm Kích thước của tế bào nấm men thay đổi theo điều kiện nuôi cấy, tuổi sinh lý. Hình thức sinh sản của nấm men có 3 hình thức chủ yếu: - Sinh sản bằng cách nảy chồi. - Sinh sản bằng cách phân đôi. - Sinh sản bằng bào tử và sự hình thành bào tử. c) Nấm mốc (nấm sợi) Nấm mốc (molds hay mounds) là tên chung chỉ tất cả các vi sinh vật không phải là nấm men cũng không phải là các nấm mũ lớn, được phân bố rộng rải trong tự nhiên. Chúng không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật. Do vậy, nấm mốc hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men. Dựa vào cấu tạo của chúng mà người ta chia nấm mốc thành 2 loại: loại nấm mốc có vách ngăn và loại nấm mốc không có vách ngăn. Hình 3.7: Naám moác - Nấm mốc có vách ngăn: đây là trường hợp mà khuẩn ty được tạo thành do một chuỗi tế bào nối tiếp nhau, ngăn cách hai tế bào và một màng ngăn. Trong mỗi tế bào nấm hầu như có đủ cơ quan của một tế bào, thường thấy ở Aspergillus và penicillium. - Nấm mốc không có vách ngăn: đây là những loại nấm mốc đa hạch, trong đó giữa các hạch không có màng ngăn. Sinh sản ở nấm mốc: nấm mốc là một trong những vi sinh vật có nhiều kiểu sinh sản khác nhau: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính. Nói chung, vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác, khi cung cấp không đủ oxy và N hoặc pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. d)Virut Virut là dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 – 450 nm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóa học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa ADN hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. Hình 3.8: Một số hình dạng của virus Hầu như virut có cấu tạo hết sức đơn giản. Toàn bộ tế bào của chúng chỉ được tạo thành từ vỏ protein và lõi là axit nucleic. Chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào của vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn,..) và sinh sôi nảy nở trong tế bào các vật chủ này. Virut có nhiều dạng: Virut của động vật có hình cầu, hình trứng (virut đậu gà), hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gậy,…; virut thực vật có hình quả cầu hay hình que dài (virut đóm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. e)Xạ khuẩn Xạ khuẩn là loài vi sinh vật đơn bào phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, cấu tạo tế bào tương tự như tế bào vi khuẩn. Chúng có một số đặc điểm như: có kích thước nhỏ bé và tương đương với kích thước vi khuẩn, nhưng có chiều dài lớn hơn chiều dài của vi khuẩn; chưa có nhân phân hóa rỏ rệt; phân chia tế bào theo kiểu amitose (phân bào vô ty); xạ khuẩn không có giới tính. f)Tảo Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Tảo chia làm 9 ngành: - Tảo lam (Cyanophyta) - Tảo lục (Chorophyta) - Tảo silic (Diatomeae) - Tảo ánh vàng (Chrysophyta) - Tảo giáp (Pynophyta) - Tảo mắt (Euglenophyta) - Tảo roi lệch (Hererocontac) - Tảo đỏ (Rhodophyta) - Tảo nâu (Phaeophyta) Các loài tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồm các dạng sau: - Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyển động, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê. Tế bào thường có tiên mao. Ngoài ra, sự chuyển động amip thường thấy ở một số tảo mất tiên mao. Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài - Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng và chức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Mặt dù không phải là loài sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. - Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic… làm cho nước có màu xanh lam. - Tảo Ascilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. - Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng nâu. Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có nhiều mùi khó chịu như mùi cỏ, mùi thối,… g) Một số nguyên sinh động vật (Protozoa) Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhóm Eukaryotic, với hơn 50,000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tập hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng 4 -500 μm. Các nhóm động vật nguyên sinh chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là Mastigophara, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella, ví dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, có roi ngắn hơn hay còn gọi là lông mao – cilia, ví dụ như Stalked. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động như amip (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Giardia lamblia – cá thể dinh dưởng dạng roi Amip Peritrichia (chủng có mao) Carchesium polypinum Vorticella convallaria Hình 3.9: Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải Holotrichate Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống và thức ăn ưu thích của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng h) Ricketxi Theo phân loại của Bergey, Ricketxi được chia làm hai giống: Rickettsia và Coxiella. Về kích thước nói chung, Ricketxi nhỏ hơn vi khuẩn và lớn hơn virut, chúng có dạng hình que ngắn (0.3 – 1.6 μm), hình cầu hay hình sợi. Phần lớn Ricketxi có đời sống ký sinh bắt buộc, một số phát triển trong tế bào chất của vật chủ, còn một số khác lại phát triển trong nhân tế bào, và một số chỉ phát triển nơi tiếp giáp giữa nhân tế bào và nguyên sinh chất. Cơ thể Ricketxi chứa khoảng 30% protein, ngoài ra còn có nhiều lipit trung tính, photpholipit và hydratcacbon. Hàm lượng ADN thường chiếm 9% so với trọng lượng khô tế bào, còn hàm lượng ARN thì không cố định. Về hình dáng, kích thước, Ricketxi gần giống với virut, chỉ khác ở cách sinh sản. Ricketxi sinh sản bằng cách phân cách. Ngoài ra trong tế bào của chúng đồng thời có cả ADN và ARN. i) Archaea (Cổ khuẩn) Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipid của màng tế bào Archaea chứa liên kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó 2 loại lipid chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archaea còn chứa một lượng lớn axit béo không phân cực. Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành methane. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong môi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như nhóm ưa mặn (Halobacteriales) hiện diện trong các môi trường có nồng độ muối cao, không tăng trưởng được khi nồng độ muối thấp hơn 1.5M, tăng trưởng được ở nồng độ muối bảo hòa; nhóm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales) thường hiện diện trong những đống thải than đá tự phát nhiệt; nhóm kỵ khí sinh metan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales); và nhóm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt nhiều trong các loại môi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. 3.3.2.4. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn, cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như nước thải có hàm lượng kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn trong nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2…). Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào và chuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Quá trình tự làm sạch trong nước diễn ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học diễn ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá tình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn điện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do dộng vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. - Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoại này có mối liên hệ rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược lại. Phân hủy các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào vi sinh vật. Quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản ứng hóa sinh với hai quá trình đồng hóa và dị hóa, chủ yếu là các phản ứng oxy hóa khử. Mỗi phản ứng oxy hóa đều có enzyme xúc tác thích ứng. Phản ứng dị hóa cắt các chất hữu cơ mạch dài, phân chia các chất hữu cơ phức tạp thành các đoạn đơn giản hơn kèm theo sự giải phóng năng lương sinh học. Phản ứng đồng hóa thành các chất hữu cơ phức tạp từ các chất hợp phần đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình dị hóa) và cần cấp năng lượng sinh học (thường lấy từ năng lượng được giải phóng của các phản ứng dị hóa). 3.3.3. Sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng khối lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC, …) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong cơ thể được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào, và sự thay đổi kích thước tế bào được phản ánh qua sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ…của môi trường thay đổi ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. 3.3.4. Vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải Các vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải gồm nhiều loại khác nhau như: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động thực vật. Tùy theo công nghệ xử lý mà người ta có thể sử dụng nhóm này hay nhóm khác. 3.3.4.1. Vi sinh vật lên men kỵ khí Nhiều nghiên cứu đã cho thấy có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí: - Giai đoại thủy phân: thủy phân các hydratcacbon, protein, lipid thành các monome để có thể hấp thụ qua màng tế bào bởi các vi sinh vật kỵ khí tùy tiện có chứa các hệ men ngoại bào như proteaza, lipaza, cellulaza…Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli, B.subtilus. - Giai đoạn lên men axit: nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện việc lên men axit các sản phẩm thủy phân thành các chất hữu cơ đơn giản. Trong 3 nhóm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí tuyệt đối và kỵ khí tùy tiện thì vi khuẩn kỵ khí tùy tiện là nhóm tạo axit chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tùy tiện phân hủy protit và vi khuẩn amon hóa axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp; Lactobacillus spp; Desulfovibrio spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli. Vài loài vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axit như loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinavulgaris, Escherichia coli. Trong bể phân hủy kỵ khí còn thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio, các vi khuẩn phân hủy protid tạo hydrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor,… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên men axit . Nhưng nhìn chung giai đoại này vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò chủ yếu còn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. - Giai đoại lên men kiềm: các axit béo dễ bay hơi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân hủy thành CH4 và CO2 làm cho môi trường trở nên kiềm hóa. Trong giai đoại chuyển từ lên men axit sang lên men kiềm, các vi sinh vật hiếu khí bị tiêu diệt dần dần và hoàn toàn. Các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc phát triển mạnh và vi khuẩn metan phát triển rất mạnh. Ở giai đoạn này các vi khuẩn metan đóng vai trò chủ yếu trong sự phân hủy tiếp các hợp chất hữu cơ. Đây là loại vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối rất khó phân lập. Các vi khuẩn metan hiện đã phân lập là Methanobacterium, Methenosacrina, Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanolthrix. Các loại vi khuẩn CH4 khác nhau chỉ có thể sử dụng một số chất nền nhất định trong môi trường khác nhau làm nguồn dinh dưỡng. 3.3.4.2. Vi sinh vật lên men hiếu khí a) Tác nhân sinh trưởng lơ lửng Hệ vi sinh vật trong các quá trình này bao gồm tất cả các loại vi khuẩn và các Eukarya cực nhỏ, có thể phân chia thành 5 nhóm chính: các vi sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hóa, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại. - Các vi sinh vật tạo bọt khí: có vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bởi vì nếu không có chúng thì sinh khối không thể được phân chia từ quá trình xử lý nước thải hay các chất ô nhiễm hữu cơ dạng keo không thể bị đào thải. Các vi sinh vật tạo bọt khí thường là động vật nguyên sinh và nấm, chúng làm cho vi khuẩn kết bông lại. Tuy nhiên chiếm ưu thế hơn hẳn vẫn là các vi khuẩn trong đó Zooglea ramigera đóng vai trò khá quan trọng. - Vi sinh vật hoại sinh: là các vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng đầu tiên và hầu hết chúng ở dạng kết chùm. Các vi sinh vật hoại sinh cũng được chia làm 2 loại: phân hủy sơ cấp và thứ cấp. Loài Saprophytes chủ yếu là các gram âm, ngoài ra còn có Achorombacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus và Pseudomonas. - Các vi khuẩn Nitrat hóa: thực hiện quá trình chuyển hóa N-NH3 thành N-NO3-, và có thể được thực hiện bởi cả hệ vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng. Quá trình nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải thường được xem là do các vi khuẩn tự dưỡng, đầu tiên có thể kể đến là loài Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrosomonas oxy hóa N-NH3 thành N=NO3- nhưng có kèm theo sản phẩm trung gian, trong khi đó Nitrobacter oxy hóa N=NH3 trực tiếp sang dạng N-NO3-. - Loài động vật ăn thịt: chính trong quá trình chuyển hóa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng là các động nguyên sinh (protozoa), thức ăn chính của chúng là các vi khuẩn. Có khoảng 230 loài đã được xác định là có tham gia vào quá trình xãy ra trong bùn hoạt tính và chúng có thể tạo ra khoảng 5% sinh khối trong hệ thống. Những loài có roi thường là các động vật nguyên sinh chiếm ưu thế, cả về số lượng lẫn khối lượng sinh khối. Trong một số trường hợp, cả amip và loài có roi có thể hiện diện với số lượng rất nhỏ, nhưng chúng vẫn đóng vai trò hết sức quan trọng cho quá trình lắng đọng và ổn định hệ thống. - Các sinh vật gây hại: trong quá trình chuyển hóa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, vấn đề phát sinh nhiều nhất là việc loại bỏ sinh khối từ nước thải đã qua xử lý, nguyên nhân chính là do các vi khuẩn dạng sợi và các loại nấm. Các vi khuẩn dạng sợi tồn tại với số lượng nhỏ là điều rất tốt, giúp ổn định các phân tử bọt, nhưng nếu số lượng quá lớn thì lại là điều không tốt. Loài vi khuẩn tiêu biểu là Sphaerotilus natans. Một tác nhân gây hại nữa trong sinh trưởng lơ lửng là việc thừa bọt trong hệ thống. Điều này gây ra trước hết là do vi khuẩn Nocardia và các loài Microthrix pavicella. Vì Nocardia và Microthrix pavicella là các tế bào không ưa nước trên bề mặt, chúng tạo ra các bong bóng trên mặt nước nơi chúng ở, vì vậy tạo ra các bọt khí và gây ra hiện tượng dư bọt. Các tác động này cũng tạo ra tương tự vùng thiếu oxy trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng kéo theo sự gia tăng của vi khuẩn khử nitrat hóa. Quá trình này có thể được hoàn toàn bởi một số lượng lớn các vi khuẩn tìm thấy trong hệ thống xử lý nước bao gồm: Aerobacter, Alcaligenous, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, và Pseudomonas. a.1) Vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính: Thành phần vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính chứa 70 - 90% chất hữu cơ; 10 – 30% chất vô cơ. Vi khuẩn, nấm, Protozoa, rotifer, metazoa hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính. - Vi khuẩn chiếm ưu thế (90%) trong hệ thống xử lý. Sự phát triển của vi khuẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trường, các yếu tố về thiết kế, vận hành hệ thống và tính chất của nước thải. Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0.3 -1μm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn kị khí. Một số vi khuẩn dị dưỡng thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas và Zoogloea. Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hóa amoniac thành nitrat là: vi khuẩn Nitrobacter và Nitrosomonas. - Nấm: là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính, các vi sinh vật đa bào này tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong môi trường hoạt động. Chỉ có một lượng nhỏ nấm có khả năng oxy hóa NH3 thành nitrit và nitrat. Các loại nấm thông thường là: Sphaerotilus natans và Zooogloea sp. - Protozoan: là vi sinh vật có kích thước 10 -100 μm được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính. Đây là nhóm vi sinh vật chỉ thị cho họat động của hệ thống xử lý nước thải. Trong hệ thống bùn hoạt tính, protozoan được chia làm 4 nhóm chính: protozoa, amip, flagellates, và ciliates (dạng bơi tự do, dạng bò trường, dạng có tiêm mao). + Amip: thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng không tồn tại lâu tại các bể hiếu khí. Amip chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu khí có tải cao. Chúng di chuyển chậm và khó cạnh tranh thức ăn, nhất là khi nguồn thức ăn bị hạn chế, nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể hiếu khí trong một thời gian ngắn. Thức ăn của Amip là các chất hữu cơ kích thước nhỏ. Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện nhiều Amip chứng nỏ đang bị sốc tải. Khi đó DO thấp (Amip tồn tại được lâu trong môi trường có DO thấp). + Flagellates: ngay sau khi amip bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn còn chứa một lượng chất hữu cơ cao, thì Flagellates xuất hiện. Phần lớn Flagellates hấp thụ các chất dinh dưỡng hòa tan. Cả Flagellates và vi khuẩn đều sử dụng các chất hữu cơ. Tuy nhiên, khi thức ăn giảm Flagellates khó cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng. Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định, điều này chứng tỏ nước thải vẩn còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ hòa tan. + Ciliates: thức ăn của Ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng. Ciliate cạnh tranh nguồn thức ăn với Rotifer. Sự hiện diện của Ciliates chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo bông và phần lớn các chất hữu cơ đã được loại bỏ. Có 3 loại Ciliate: các Ciliates bơi tự do xuất hiện khi Flagellates bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của Ciliates bơi tự do này. Các loài Ciliate trườn, bò: khi kích thước bùn lớn và ổn định, loài Ciliates này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loài Ciliate bơi tự do là nhờ vào khả năng này. Các Ciliate có tiêm mao: xuất hiện ở bùn đã ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các loài Ciliate trườn, bò cạnh tranh nhau về thức ăn. Ciliates hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính là: Aspidisca costata; Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta và O. microdiscum, Trachelophyllum pusillum, Vorticella convallaria và V. microstoma. Ciliates có nhiệm vụ loại bỏ E. coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm. Trong thực tế, bùn hoạt tính có thể khử 91 – 99% E. coli. + Rolifer: là động vật đa bào có hai bộ tiêm mao chuyển động xoay tròn, làm cho hình dạng của chúng như hai bánh xe xoay đối nhau. Chúng di động nhanh trong nước, có khả năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguồn thức ăn, giống Protozoa. Đây là vi sinh vật hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của nước thải. Chúng thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định, nước có hàm lượng hữu cơ thấp. Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong hệ thống xử lý nước thải. Vai trò chính của Rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn. Chính Rotifer sử dụng vi khuẩn không tạo bông, làm giảm độ đục của nước thải. Các màng nhầy được Rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bông dễ dàng. Rostifer cần thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý. Rotifer phát triển trong bùn cũ và điều kiện oxy đầy đủ. Nhạy cảm với độc tố và sự thay đổi thành phần nước thải - Virut: cũng được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính và việc loại bỏ virut nhờ cơ chế đối kháng sinh học, sự hấp phụ, quá trình khử các chất lơ lửng, các chất keo, quá trình thổi khí,…. Sau đây là bảng tóm tắt một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng chính của chúng khi tham gia xử lý nước thải: Bảng 3.1: Chức năng của một số vi khuẩn trong bùn hoạt tính STT Vi khuẩn Chức năng 1 Pseudomonas Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ… và khử nitrat 2 Arthrobacter Phân hủy hydratcacbon 3 Bacillus Phân hủy hydratcacbon, protein… 4 Cytophaga Phân hủy polimer 5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích lũy poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hóa 8 Nitrobacter Nitrat hóa 9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân hủy các chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân hủy protein 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat ( khử nitrat thành N2) 13 Thiobaccillus denitrificans 14 Acinetobacter 15 Hyphomicrobium 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat b) Tác nhân sinh trưởng bám dính Các vi khuẩn tạo thành bazơ từ chuỗi thức ăn thông qua hoạt động của chất hữu cơ trong nước thải đã được xử lý. Các chất hòa tan tăng lên một cách nhanh chóng trong khi các phân tử keo bị sụt giảm tạo thành các lớp sệt. Tại đó, chúng trải qua quá trình gắn kết với enzyme ngoại bào, giải phóng một lượng nhỏ phân tử mà chúng chuyển hóa được. Hệ vi khuẩn gồm có thực vật hoại sinh sơ cấp và thứ cấp, giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bao gồm các loài: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Pseudomonas, Sphaerotilus và Zooglea. Tuy nhiên không hoàn toàn giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, sự phân bố các loài này có thể thay đổi vị trí trong các phản ứng. Tác nhân sinh trưởng bám dính cũng bao gồm vi khuẩn nitrat hóa, như các loài Nitrosomonas và Nitrobacter, thường được phát hiện ở những vùng có nồng độ các chất hữu cơ lơ lửng thấp. c) Vi sinh vật trong các hồ ổn định H.F. Ludwig et al., 1951 đã xác định các vai trò của tảo trong hệ thống các hồ ổn định. Những nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng Euglena gracilis, một loài tảo lục có thể di chuyển được và Cholerella pyrenoidosa, loại tảo lục không di chuyển, rất thường thấy trong các hồ ổn định ở California. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các vi khuẩn đã chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải cùng với việc tạo thành CO2 để tảo sử dụng cho việc tổng hợp tế bào của chúng. Năm 1953, P.C. Silva và G.F. Papenfus tiến hành nghiên cứu trên 8 hồ ổn định và nhận thấy, Euglena, Chlorella, Chlamydomonas và Scenedesmus là các loài tảo lục phổ biến nhất. Loài tảo xanh lục gồm: Oscillatoria, Anabaena, và Microcystis. Và loài tảo cát phổ biến là Navicula. Một nghiên cứu khác của Gann et al., cũng chỉ ra rằng các loài vi khuẩn phổ biến trong hồ ổn định thường là các vi khuẩn trong đất: Achromobacter, Flavobacterium và Bacillus. Sự tăng trưởng của các vi khuẩn và Chlorella sẽ kích thích sự tăng trưởng của Protozoa có mao bơi tự do: Paramecium, Glaucoma và Colpidium, dưới điều kiện hiếu khí. Protozoa trườn, bò, Euplotes và Protozoa có tiêm mao, Vorticella cũng có thể được tìm thấy với số lượng lớn trong các hồ ổn định. Các Roftifer: Epiphanes, Philodina và Proales cũng có thể tăng trưởng trong môi trường hiếu khí. Các loài giáp xác: Moina và Daphnia có thể xuất hiện với số lượng lớn vào mùa xuân và có thể loại bỏ hoàn toàn một lượng lớn các loài tảo ra khỏi hồ, Diaptomus và Cyclops cũng được tìm thấy với số lượng khác nhau. 3.4. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ 3.4.1. Động học phản ứng trong màng vi sinh vật Những phân tích lý thuyết cho thấy động học phản ứng trong màng vi sinh vật phức tạp hơn rất nhiều so với động học phản ứng của quá trình bùn họat tính; bởi vì tốc độ phản ứng làm sạch nước trong quá trình bùn họat tính chỉ chịu ảnh hưởng của tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật. Trong khi đó trong quá trình màng vi sinh vật các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bao gồm tốc độ vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật bởi quá trình khuếch tán phân tử và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh vật. Ngoài ra, phản ứng thủy phân các chất hữu cơ cao phân tử trên bề mặt của màng vi sinh vật thành những chất hữu cơ có phân tử lượng thấp hơn để chúng có thể khuếch tán vào trong màng vi sinh cũng là một yếu tố hạn chế của tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình màng vi sinh vật. Màng vi sinh vật có thể coi như một hệ thống phản ứng với xúc tác enzyme tĩnh. Trong hệ thống tồn tại pha lỏng – nước thải, pha rắn – màng vi sinh vật và pha khí (đối với quá trình hiếu khí) Cơ chế của quá trình loại bỏ cơ chất trong hệ thống màng vi sinh vật có thể được miêu tả như sau: nước thải chảy qua bề mặt màng vi sinh vật với vận tốc chảy đều, cơ chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ dàng từ nước thải tiếp xúc với màng vi sinh vật và được vận chuyển vào màng theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ và trao đổi chất bởi vi sinh vật. Những sản phẩm cuối của quá trình phản ứng sinh học đi ngược trở ra khỏi màng. Như vậy quá trình tiêu thụ và làm sạch nước bởi màng vi sinh vật bị ảnh hưởng bởi các bước sau: - Vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật từ chất lỏng tiếp xúc với màng. - Quá trình khuếch tán phân tử chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật. - Tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật. - Vận chuyển sản phẩm cuối ra khỏi màng. 3.4.2. Phương trình động học thực nghiệm của Eckenfelder Dựa vào phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị lọc sinh học. Eckenfelder xây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chất sau: (3.1) Với: tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật, kgCOD/kgVSV.ngày. tốc độ tiêu thụ cơ chất, kgCOD/m3.ngày k: hằng số tốc độ phản ứng, m3/kgVSV.ngày. S: nồng độ của cơ chất, kgCOD/m3. X: nồng độ vi sinh vật, kgVSV/m3. Tích phân hai vế của phương trình (3.1) ta được: (3.2) Với: : nồng độ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệu lọc. Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3. S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3. T: thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV. Nồng độ trung bình của VSV tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc AS: (3.3) Trong đó: AS: diện tích bề mặt riêng của bể lọc. m: hằng số thực nghiệm. Thời gian tiếp xúc trung bình được tính toán theo công thức của Howland như sau: (3.4) QL: tải trọng thể tích của nước thải trên bề mặt bể lọc, m3/m2.ngày. (3.5) Trong đó: Q: lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày. A: diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2. C, n: các hằng số thực nghiệm. H: chiều cao lớp vật liệu lọc, m. Thay thế phương trình (3.3) và (3.4) vào phương trình (3.2): (3.6) Đặt phương trình (3.6) sẽ được viết lại (3.7) Thông số động học K và hằng số thực nghiệm n được xác định dựa trên các số liệu thí nghiệm Se, So, H và QL khi chạy mô hình lọc sinh học trong phòng thí nghiệm. Chương 4 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TIẾN HÀNH 4.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 4.2. VẬN HÀNH MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 4.3. CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC 4.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 4.1.1. Cấu tạo mô hình Đề tài xây dựng một mô hình mô phỏng với qui mô phòng thí nghiệm nhằm khảo sát hiệu quả xử lý nước thải của ngành chế biến tinh bột khoai mì bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí với lớp vật liệu lọc ngập trong nước: - Mô hình làm bằng kính tấm có kích thước tương ứng dài x rộng x cao = 0.15m x 0.15m x 0.8m, có thể tích hữu ích là 14.5 lít đã trừ thể tích vật liệu. - Trên mô hình có bố trí 4 van để lấy mẫu theo độ cao của mô hình: theo sắp xếp từ dưới lên, van 1 cách đáy 0.12 m, van 2 cách đáy 0.325 m , van ba cách đáy 0.53 m và van 4 cách đáy 0.735 m, van 4 này còn được dùng làm van chảy tràn. Ngoài ra, mô hình còn có một van xả đáy ở phía dưới. 4.1.2. Nguyên tắc hoạt động a) Giai đoạn thích nghi: Nước thải được đưa vào mô hình, với hệ thống sục khí đặt dưới đáy bể hoạt động liên tục. Khi quá trình xử lý đạt mức ổn định thì nước được tháo ra ngoài thông qua van xả đáy. Để thúc đẩy quá trình phát triển màng vi sinh vật, trong giai đoạn này ở thời điểm ban đầu nước thải được bổ sung bùn lấy từ bể SBR của nhà máy xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp Tân Bình. b) Giai đoạn xử lý: Sau khi đã có lớp màng vi sinh vật hình thành trên giá thể từ giai đoạn thích nghi, ở giai đoạn xử lý này, nước thải được đưa vào mô hình thông qua bơm với lưu lượng được điều chỉnh bằng tay. Nước thải đầu vào được bơm từ đáy của mô hình rồi đi lên phía trên. Hệ thống sục khí đặt dưới đáy bể luôn hoạt động để cung cấp oxy cho vi sinh vật, tạo điều kiện cho màng vi sinh phát triển. Nước sau xử lý được tháo ra qua van chảy tràn phía trên mô hình. 4.2. VẬN HÀNH MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 4.2.1. Giai đoạn chuẩn bị a) Các bước chuẩn bị - Xây dựng mô hình bể xử lý với các thông số và vật liệu như trên. - Dưới đáy bể đặt hệ thống sục khí bằng đá bọt. - Giá thể nghiên cứu là những vòng nhựa có đường kính d = 21mm và cao 25mm được cắt ra từ ống nước = 21mm. Cho giá thể vào mô hình với chiều cao chiếm 2/3 bể. Tương ứng với thể tích chiếm chỗ khoảng 9 lít. - Nước thải được lấy tại một hộ gia đình sản xuất tinh bột khoai mì ở Quận Thủ Đức. - Bùn được lấy từ bể SBR của nhà máy xử lý nước thải tập trung khu công ghiệp Tân Bình. b) Chuẩn bị nước thải Tiến hành kiểm tra thành phần của nước thải đem về, kết quả thu được như sau: Bảng 4.1: Thành phần nước thải tinh bột mì STT Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị 1 2 3 4 5 6 pH SS COD BOD5 Ntổng Ptổng - mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 4.1 1200 10500 8000 350 68 - Với thành phần nước thải như trên, ta thấy tỉ lệ COD:N:P = 10500:350:68= 154: 5.1:1. Với tỉ lệ như vậy thì không cần bổ sung chất dinh dưỡng. - Với COD là 10500 mg/l để pha loãng thành nước thải có COD là 700 mg/l thì ta phải pha loãng 15 lần. - Cách pha: lấy 14 lít nước sạch pha với 1 lít nước thải ta được 15 lít nước thải đã pha loãng. c) Chuẩn bị bùn: Bùn hoạt tính dùng cho việc xử lý được lấy từ nhà máy xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp Tân Bình. Bùn được lấy trực tiếp tại các bể SBR của nhà máy, sau đó đem về tiến hành xác định nồng độ bùn: Cb= 19280 (mg/l). Bùn cho vào mô hình với MLSS khoảng 2000 – 3500 mg/l (ở đây chọn 2500mg/l) . Thể tích bể lọc là V = 14.5 lít. Muốn hàm lượng bùn trong nước thải là 2500 mg/l thì thể tích bùn cần lấy là: 4.2.2. Giai đoạn thích nghi Giai đoạn thích nghi được tiến hành ở nồng độ COD đầu vào khoảng 700 mg/l. Giai đoạn thích nghi được thực hiện theo các bước sau: - Cho vào mô hình 14.5 lít nước thải đã được pha loãng có nồng độ COD đầu vào khoảng 700 mg/l cùng với bùn tạo thành hỗn hợp có MLSS khoảng 2000 – 3000 mg/l. - Chạy mô hình và hàng ngày thường xuyên kiểm tra các thông số COD, pH, SS. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi lớp màng vi sinh vật đã hình thành bám trên giá thể và hiệu quả khử COD tương đối ổn định (COD không tiếp tục giảm nữa). 4.2.3. Giai đoạn xử lý Ở giai đoạn này, nước thải được đưa vào mô hình liên tục thông qua bơm, với lưu lượng bơm có thể điều chỉnh được. Nước được đưa vào từ phía dưới của mô hình và được chảy tràn ra ngoài thông qua van 4. - Tăng tải trọng dần lên ứng với thời gian lưu nước 24h, 12h, 8h, 6h và 4h. Khi hiệu quả xử lý ở tải trọng đó ổn định ta mới tăng tải trong tiếp theo. - Ở mỗi tải trọng ta cũng tiến hành kiểm tra các chỉ tiêu pH, COD, SS. Quá trình tăng tải trọng kết thúc khi hiệu quả khử COD giảm vì xảy ra hiện tượng quá tải. Bảng 4.2: Các thông số hoạt động của mô hình ứng với từng tải trọng STT Tải trọng (kgCOD/m3.ngày) COD vào (mg/l) HRT (giờ) Lưu lượng (l/h) 1 0.7 700 24 0.58 2 1.4 700 12 1.17 3 2.1 700 8 1.75 4 2.8 700 6 2.3 5 4.2 700 4 3.5 4.3. CÁCH XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC Áp dụng phương trình thực nghiệm của Eckenfelder. Eckenfelder xây dựng các phương trình biểu diễn dựa trên phương trình tốc độ loại bỏ cơ chất sau: (4.1) Với: tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng của vi sinh vật, kgCOD/kgVSV.ngày. tốc độ tiêu thụ cơ chất, kgCOD/m3.ngày k: hằng số tốc độ phản ứng, m3/kgVSV.ngày. S: nồng độ của cơ chất, kgCOD/m3. X: nồng độ vi sinh vật, kgVSV/m3. Tích phân hai vế của phương trình (4.1) ta được: (4.2) Với: : nồng độ trung bình của VSV trong bể lọc sinh học, kgVSV/m3 vật liệu lọc. Se: nồng độ cơ chất trong dòng nước thải sau xử lý, kgCOD/m3. S0: nồng độ cơ chất trong nước thải vào bể lọc, kgCOD/m3. T: thời gian tiếp xúc của nước thải với màng VSV. Nồng độ trung bình của VSV tỷ lệ với diện tích bề mặt riêng của vật liệu lọc AS: (4.3) Trong đó: AS: diện tích bề mặt riêng của bể lọc. m: hằng số thực nghiệm. Thời gian tiếp xúc trung bình được tính toán theo công thức của Howland như sau: (4.4) QL: tải trọng thể tích của nước thải trên bề mặt bể lọc, m3/m2.ngày. (4.5) Trong đó: Q: lưu lượng nước thải theo tính toán thiết kế, m3/ngày. A: diện tích mặt cắt ngang của bể lọc, m2. C, n: các hằng số thực nghiệm. H: chiều cao lớp vật liệu lọc, m. Thay thế phương trình (4.3) và (4.4) vào phương trình (4.2): (4.6) Đặt phương trình (4.6) sẽ được viết lại (4.7) Thông số động học K và hằng số thực nghiệm n được xác định dựa trên các số liệu thí nghiệm Se, So, H và QL khi chạy mô hình lọc sinh học trong phòng thí nghiệm. Khi lấy logarit cơ số tự nhiên cả hai vế phương trình (4.6) ta được: (4.8) Đây là đường thẳng và H có hệ số góc Tiếp tục lấy logarit cơ số e của hệ số góc a ta được: lns = -nlnQL + lnK (4.9) Đây là phương trình đường thẳng lns và lnQL; các hệ số của phương trình được xác định bằng phương pháp đồ thị; từ đó suy ra các thông số n, K. Như vậy khi có các kết quả thí nghiệm , H, QL ta sẽ tính toán được các thông số động học của quá trình lọc sinh học. Trong đề tài này ta tính toán cụ thể như sau: - Vẽ 3 phương trình đường thẳng của ln(CODra/CODvào) theo H (m) ứng với 3 lưu lượng nước thải khác nhau: + Q1= 42lít/ngày + Q2= 56 lít/ngày + Q3= 84 lít/ngày - Ta sẽ có được các giá trị s1, s2, s3 trong các phương trình đường thẳng trên. - Vẽ phương trình đường thẳng của ln(s) theo ln(QL). Ta sẽ có được giá trị n trong phương trình đường thẳng này. - Áp dụng lns = -nlnQL + lnK suy ra K. - Từ các giá trị của n và K ta sẽ có được phương trình thực nghiệm: Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 5.1. GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI 5.2. GIAI ĐOẠN XỬ LÝ 5.3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC 5.4. BÀN LUẬN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1. GIAI ĐOẠN THÍCH NGHI Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm ở giai đoạn thích nghi Ngày COD (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS (mg/l) pH N0 700 0 280 6.53 N1 556.3 20.53 195 6.46 N2 590.4 15.66 145 6.57 N3 530.42 24.23 157 7.11 N4 405.1 42.13 203 7.19 N5 315.4 54.94 199 7.25 N6 255.5 63.5 285 7.29 N7 259.82 62.88 295 7.33 Hình 5.1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD theo thời gian ở giai đoạn thích nghi Nhận xét: Giai đoạn thích nghi kết thúc khi lớp màng vi sinh vật đã được hình thành và dính bám vào giá thể, chỉ số COD nước thải đầu ra tương đối ổn định, hiệu quả xử lý COD của nước thải đạt ở mức 63.5%. 5.2. GIAI ĐOẠI XỬ LÝ 5.2.1. Tải trọng 0.7 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 24h: Bảng 5.2: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 0.7 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 24h Ngày Tải trọng (Kg COD/m3.ng.đ.) Thời gian lưu nước (giờ) COD vào (mg/l) COD ra (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS vào (mg/l) SS ra (mg/l) pH vào pH ra N1 0.71 24 710 224 68.45 210 200 6.4 6.5 N2 0.752 24 752 178.98 76.2 211 203 6.3 7.04 N3 0.78 24 780 151.3 80.6 208 210 6.5 7.15 N4 0.77 24 770 151.1 80.5 209 218 6.4 7.16 Hình 5.2: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 24h Hình 5.3: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 24h Hình 5.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 24h Nhận xét: Hình 5.2 cho thấy ở tải trọng 0.7 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 24h, bắt đầu ở ngày thứ 2 hiệu quả khử COD đạt 76.2% và sau đó từ ngày thứ 3 và thứ 4, hiệu quả ổn định đạt 80.5%. 5.2.2. Tải trọng 1.4 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 12h: Bảng 5.3: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 1.4 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 12h Ngày Tải trọng (Kg COD/m3.ng.đ.) Thời gian lưu nước (giờ) COD vào (mg/l) COD ra (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS vào (mg/l) SS ra (mg/l) pH vào pH ra N1 1.56 12 780 207.5 73.4 215 230 6.55 6.52 N2 1.44 12 720 150.5 79.1 216 235 6.53 7.14 N3 1.51 12 755 131.4 82.6 217 241 6.51 7.25 N4 1.48 12 740 129.5 82.5 214 245 6.6 7.16 Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 12h Hình 5.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 12h Hình 5.7: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 12h Nhận xét: Hình 5.5 cho thấy ở tải trọng 1.4 KgCOD/m3.ng.đ, bắt đầu ở ngày thứ 3 hiệu quả khử COD đạt trên 82% và ổn định đến ngày thứ 4. 5.2.3. Tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 8h Bảng 5.4: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 8h Ngày Tải trọng (Kg COD/m3.ng.đ.) Thời gian lưu nước (giờ) COD vào COD ra (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS vào (mg/l) SS ra (mg/l) pH vào pH ra N1 2.4 8 800 212 73.4 220 200 6.5 6.52 N2 2.28 8 760 158 79.2 220 210 6.51 7.14 N3 2.19 8 730 113 84.5 210 220 6.54 7.25 N4 2.31 8 770 120 84.4 215 235 6.55 7.16 Hình 5.8: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 8h Hình 5.9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 8h Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 8h Nhận xét: Hình 5.8 cho thấy ở tải trọng 2.4 KgCOD/m3.ng.đ, bắt đầu ở ngày thứ 3 hiệu quả khử COD đạt trên 84.5% và ổn định đến ngày thứ 4. 5.2.4. Tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 6h Bảng 5.5: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 6h Ngày Tải trọng (Kg COD/m3.ng.đ.) Thời gian lưu nước (giờ) COD vào ( mg/l) COD ra (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS vào (mg/l) SS ra (mg/l) pH vào pH ra N1 3.2 6 800 240 70 210 219.1 6.55 7.14 N2 3.12 6 780 191 75.5 215 225.3 6.5 7.2 N3 2.92 6 730 145 80.1 205 229.4 6.58 7.3 N4 3 6 750 150 80 217 235.9 6.7 7.6 Hình 5.11: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 6h Hình 5.12: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 6h Hình 5.13: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 6h Nhận xét: Hình 5.11 cho thấy ở tải trọng 3.2 KgCOD/m3.ng.đ, bắt đầu ở ngày thứ 3 hiệu quả khử COD đạt trên 80% và ổn định đến ngày thứ 4. 5.2.5. Tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 4h Bảng 5.6: Kết quả thí nghiệm ở tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 4h Ngày Tải trọng (Kg COD/m3.ng.đ.) Thời gian lưu nước (giờ) COD vào ( mg/l) COD ra (mg/l) Hiệu quả khử COD (%) SS vào (mg/l) SS ra (mg/l) pH vào pH ra N1 4.38 4 730 324 55.6 205 219.1 6.4 7.05 N2 4.74 4 790 297 62.4 210 225.3 6.3 7.15 N3 4.86 4 810 229 71.7 211 229.4 6.6 7.2 N4 4.68 4 780 222 71.5 215 235.9 6.5 7.3 Hình 5.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD ở thời gian lưu nước 4h Hình 5.15: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi SS ở thời gian lưu nước 4h Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH ở thời gian lưu nước 4h Nhận xét: Hình 5.14 cho thấy ở tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ bắt đầu ở ngày thứ 3 hiệu quả khử COD đạt trên 71% và ổn định đến ngày thứ 4. 5.2.6. Kết luận Bảng 5.7: Hiệu quả xử lý COD ở các tải trọng khác nhau Tải trọng (KgCOD/m3.ngày.đêm) Hiệu suất xử lý COD (%) 0.7 80.5 1.4 82.5 2.1 84.4 2.8 80 4.2 71.5 Hình 5.17: Đồ thị biểu diễn hiệu quả xử lý COD ở các tải trọng khác nhau Như vậy: Hiệu quả xử lý tăng dần ở các tải trọng 0.7 KgCOD/m3.ng.đ, 1.4 KgCOD/m3.ng.đ và 2.1 KgCOD/m3.ng.đ. Hiệu quả xử lý đạt giá trị cực đại ở tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ. Sau đó, hiệu quả xử lý giảm dần ở các tải 2.8 KgCOD/m3.ng.đ và 4.2 KgCOD/m3.ng.đ vì lúc này trong bể đã có hiện tượng quá tải xảy ra. 5.3. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC 5.3.1. Tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 8h (lưu lượng 42 lít/ngày) Bảng 5.8: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 42 lít/ngày Chiều cao H (m) COD ra (mg/l) COD vào (mg/l) ln(CODra/CODvào) 0.12 772 770 0 0.325 408.5 -0.634 0.53 211 -1.295 0.735 120 -1.859 Hình 5.18: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 1.8 m3/m2.ngày Tính ==1.8 m3/m2.ngày 5.3.2. Tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 6h (lưu lượng 56 lít/ngày) Bảng 5.9: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 56 lít/ngày Chiều cao H (m) COD ra (mg/l) COD vào (mg/l) ln(CODra/CODvào) 0.12 748 750 0 0.325 412 -0.599 0.53 180 -1.427 0.735 150 -1.609 Hình 5.19: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 2.22 m3/m2.ngày Tính ==2.49 m3/m2.ngày 5.3.3. Tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ng.đ ứng với thời gian lưu nước 4h (lưu lượng 84 lít/ngày) Bảng 5.10: Sự thay đổi nồng độ COD theo chiều cao H ở lưu lượng 84 lít/ngày Chiều cao H (m) COD ra (mg/l) COD vào (mg/l) ln(CODra/CODvào) 0.12 778 780 0 0.325 442 -0.568 0.53 308 -0.929 0.735 222 -1.257 Hình 5.20: Đồ thị ln(CODra/CODvào) theo H ở tải trọng thể tích 3.733 m3/m2.ngày Tính ==3.733 m3/m2.ngày 5.3.4.Tính toán các thông số n và K Tính toán các thông số n và K dựa vào QL và hệ số s đã xác định được ở phần trên. Bảng 5.11: Kết quả mối liên hệ giữa tải trọng thể tích QL và hệ số góc s STT QL Ln(Ql) s Ln(s) 1 1.8 0.588 3.043 1.113 2 2.49 0.912 2.758 1.015 3 3.733 1.317 2.016 0.701 Hình 5.21: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ln(s) và ln(QL) Suy ra các giá trị n và K: n = 0.57 K = 4.25 Vậy phương trình thực nghiệm cần tìm là: 5.4. BÀN LUẬN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Với tải trọng 0.7 KgCOD/ngày.đêm và 1.4 KgCOD/m3.ngày.đêm, hiệu quả xử lý COD tương ứng là 80.5% và 82.5%. Ở các giai đoạn này, màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau trong cùng điều kiện, sự phát triển giống như trong quá trình sinh trưởng lơ lửng. Với tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ngày.đêm, hiệu quả xử lý COD tăng lên mức cao nhất, đạt ổn định ở 84.4%. Khi vận hành ở tải trọng này, lớp màng vi sinh vật đã dày lên rất nhiều so với trước, hàm lượng chất lơ lửng đầu ra cũng tăng nhiều so với đầu vào, từ 200 tăng lên 235mg/l. Điều này chứng tỏ một số màng vi sinh vật bị ảnh hưởng của sự hô hấp nội bào ở lớp bên trong, làm mất khả năng bám dính vào giá thể nên bị bong ra và trôi theo dòng nước ra khỏi mô hình. Ở tải trọng 2.8 KgCOD/m3.ngày.đêm, hiệu quả xử lý COD bắt đầu giảm, chỉ còn đạt giá trị ổn định là 80%. Ở tải trọng 4.2 KgCOD/m3.ngày.đêm, hiệu quả xử lý COD bắt đầu giảm xuống mức thấp hơn là 71.5%. Trong bể có hiện tượng trào bọt màu trắng chứng tỏ hệ thống đã hoạt động đến mức quá tải. Sự giảm hiệu quả xử lý ở hai tải cuối này chứng tỏ tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ngày.đêm đã là tải trọng tối ưu. Quá trình thí nghiệm kết thúc. Nếu tiếp tục tăng tải trọng thì hiệu quả xử lý sẽ tiếp tục giảm. Ngoài ra, trong quá trình vận hành ở các tải trọng khác nhau, ở thành trong của mô hình ta đều quan sát thấy một vài vị trí có màu đen sẫm, đây chính là các vùng thiếu khí của màng lọc sinh học. pH đầu ra tương đối ổn định trong khoảng 6.52 – 7.16. Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1. KẾT LUẬN 6.2. KIẾN NGHỊ 6.1. KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm, đề tài thu được một số kết quả như sau: - Nước thải tinh bột khoai mì có tỉ lệ BOD/COD khá cao nên việc xử lý loại nước thải này bằng phương pháp sinh học là rất khả thi và đem lại hiệu quả cao. - Trên mô hình mô phỏng ở qui mô phòng thí nghiệm với giá thể vòng nhựa, các số liệu thực nghiêm thu được gồm có: + Trong 5 tải trọng đã tiến hành gồm 0.7, 1.4, 2.1, 2.8 và 4.2 KgCOD/m3.ngày.đêm thì tải trọng 2.1 KgCOD/m3.ngày.đêm là tải trọng tối ưu. Ở tải trọng này, với thời gian lưu nước tương ứng 8h và nồng độ COD đầu vào mô hình khoảng 700 mg/l, hiệu quả xử lý đạt ổn định ở 84.4% sau 3 ngày. + Thông số động học của quá trình lọc sinh học hiếu khí được xác định tương ứng là n= 0.57, K= 4,25. - Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là nước thải đã được pha loãng ở nồng độ COD khoảng 700 mg/l. Trên thực tế nồng độ COD của nước thải đầu vào là khá cao khoảng 10500 mg/l. Tuy vậy, vấn đề này sẽ được giải quyết bằng các bước xử lý sơ bộ và xử lý sinh học kị khí phía trước giai đoạn lọc sinh học hiếu khí này. 6.2. KIẾN NGHỊ Do thời gian giới hạn của một đồ án tốt nghiệp với điều kiện thực nghiệm còn hạn chế nên việc nghiên cứu xử lý nước thải do chế biến tinh bột khoai mì chưa được tiến hành thật đầy đủ. Từ đó, đề tài kiến nghị một số phương hướng nghiên cứu cần thực hiện tiếp theo như sau: - Tiến hành nghiên cứu ở các nồng độ nước thải khác nhau. - Tiến hành nghiên cứu bổ sung một số chỉ tiêu khác như Ntổng, Ptổng, BOD5 ngoài các chỉ tiêu COD, pH, SS. - Tiến hành nghiên cứu thử nghiệm đối với các giá thể phổ biến và có giá thành rẻ như xơ dừa, gỗ,… - Nghiên cứu các quá trình khác như xử lý hóa lý, xử lý sinh học kỵ khí để nước thải tinh bột khoai mì được xử lý đạt hiệu quả cao nhất - Nghiên cứu mô hình bùn hoạt tính để so sánh hiệu quả xử lý với mô hình lọc sinh học hiếu khí đã tiến hành. Ngoài thực tế, khi xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí thì công trình đưa vào hoạt động cần được chú ý những điểm sau: - Đảm bảo cung cấp đầy đủ oxy cho bể lọc hiếu khí. - Cần điều chỉnh pH về mức trung hòa trước khi đưa nước vào công trình sinh học. - Cần thường xuyên theo dõi công trình để có thể khắc phục ngay khi có sự cố xảy ra.