Khóa luận Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật

hực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hóa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.1 Chu trình nitơ trong nước Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong môi trường nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ, giúp làm sạch môi trường nước. Trong điều kiện kỵ khí, các acid amin không được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu H2S và các sản phẩm bốc mùi khó chịu cho thủy vực. Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn Nitơ nhờ quá trình này mà Nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng. Nhờ quá trình này mà NH3 luôn luôn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh. Có nhiều loại vi khuẩn và nấm mốc tham gia vào quá trình này, chủ yếu là các loài Bacillus như: B. mesentericus, B.mycoide, B. sustilis,…Số lượng của chúng trong thủy vực khác nhau thì rất khác nhau, thường trong các thủy vật nước ngọt số lượng của chúng nhiều thủy vực nước măn và nước lợ. Các vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa trong môi trường nước đi cùng quá trình đồng hóa CO2 cho cơ thể. Ở thủy vực nước ngọt có các loài thuộc giống Nitrobacter và trong các thủy vực nước lợ, mặn có Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong các thủy vực sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các thủy vực giàu dinh dưỡng số lượng của chúng có nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khỏang 10 tế bào/ml nước. Số lượng của chúng trong thủy vực dao động theo mùa. Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy (kể cả nồng độ thấp), nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếm khí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O), NH2OH, NH3 và N2. Vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrate hóa bao gồm bao gồm các loại kỵ khí không bắt buộc như: Pseudomonas, Bacillus...Trong điều kiện hiếu khí, chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy của không khí, còn trong điều kiện kỵ khí, chúng tiến hành oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng con đường khử hydro để chuyển hydro cho nitrate và nitrite. Quá trình này không có lợi ví nó làm mất Nitơ trong thủy vật và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Trong đa số sinh cảnh, vi sinh vật có thể khử nitrate thành nitrite, chứ không có thể khử tiếp thành các dạng hợp chất khác. Do đó, ở đâu có quá trình phản nitrate hóa xảy ra mạnh thì ở đó có nhiều nitrite. Trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các loài vi khuẩn Azotobacter như A. Agile và A.chroococcum. Ở sông, hồ thì hầu như gặp chúng ở mọi nơi. Tại phần lắng đọng yếm khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện bởi các loài Clostridium như Clostridium pateurianum. Gần đây, người ta đã xác định ngoài các loài Azotobacter và Clostridium thì còn có các loài vi khuẩn khác cũng có khả năng đồng hóa nitơ phân tử bao gồm cả vi khuẩn quang tự dưỡng lẫn dị dưỡng. Tuy nhiên, ở chúng thì sự gắn kết Nitơ có hiệu quả thấp hơn do số lượng của những vi khuẩn này là quá ít để đồng hóa một lượng nitơ đánh kể, chúng chỉ có vai trò ở những phần lắng đọng yếm khí, còn trong môi trường thoáng khí, quá trình cố định nitơ phân tử được thực hiện chủ yếu bởi các loài tảo xanh thuộc giống Nostoc, Phormidium, Calothrix,... bởi vì các giống tảo này thường rất nhiều trong các thủy vực. 2.2 ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 2.2.1 Nước thải sinh hoạt Nguồn nước thải sinh họat gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt cá, nước từ nhà hàng, khách sạn….chiếm 52% chất hữu cơ, 48% các chất vô cơ. Chúng được thu gom vào các kênh dẫn thải. Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất ammoniac, protein, peptid, acid amin cũng các thành phần khác trong chất thải rắn và lỏng. Ngoài ra nước thải sinh hoạt có chứa một lượng các thành phần dinh dưỡng khác rất cao. Nhiều trường hợp, lượng chất dinh dưỡng này quá cao vượt quá nhu cầu phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học. Trong các công trình xử lý nước thải theo phương pháp sinh học, lượng dinh dưỡng cần thiết trung bình tính theo tỷ lệ BOD5 : N: P là 100: 5: 1. Bảng 2.1 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt. Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng (g/người.ngày) Tải lượng ô nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lủng 70 - 145 89 – 184,5 Amoni (N – NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 - 54 57,2 – 68,7 Nitô tổng 6 - 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 - 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO Nước thải sinh hoạt chứa hàm lương các chất cặn bã, các chất rắn lơ lửng (SS), các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng (N,P). Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh họat như sau: Bảng 2.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ô nhiễm Nồng độ ô nhiễm (mg/m3) Chất rắn lơ lửng 730 – 1510 Amoni (N – NH4) 25 – 1510 BOD5 469 – 563 Nitô tổng 63 – 125 Tổng photpho 8 – 42 COD 570 - 1063 Dầu mỡ 104 - 313 Nguồn: Hoàng Huệ – Xử lý nước thải 2.2.2 Nước thải công nghiệp Ô nhiễm do hợp chất nitơ từ sản xuất công nghiệp liên quan chủ yếu tớ chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón hay trong một số ngành đặc biệt như chế biến mủ cao su, chế biến tơ tằm, thuộc gia… Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ, liên quan đến thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn từ các lọai thịt, sữa, đậu…Hợp chất chứa nitơ được thải ra lượng lớn từ các thành phần như máu, mỡ, phân cùng các mẫu thịt hòa tan vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ trong môi trường và lọai sản phẩm chế biến. Nồng độ hợp chất chứa nitơ trong nước thải công nghiệp cũng biến đổi rất mạnh, không chỉ theo mùa vụ mà còn cả trong từng ngày, nhất là đối với các cơ sở chế biến thực phẩm xuất đồng thời nhiều lọai sản phẩm. Bảng 2.3 Nồng độ nitơ tổng trong nước thải công nghiệp Nguồn Nồng độ Nitơ tổng (mg/l ) Giết mổ 115 Chế biến thịt 6 Chế biến thủy sản Cá da trơn Cua Tôm Cá 33 (28 – 50) 94 (58 – 138) 215 (164 – 266) 30 Chế biến rau, quả, đồ uống 4 Bột, sản phẩm khoai tây 21 ( 5 – 40) Rượu vang 40 (10 – 50) Hóa chất, phân bón NH3 – N NO3 – N 1270 550 Nguồn: H. R. Jones. Pollution control in the dairy industry. London 2.2.3 Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi Canh tác nông nghiệp về nguyên tắc phải bón phân đạm cho cây. Trong rất nhiều trường hợp người ta còn sử dụng nguồn nước thải để tưới nhằm tận dụng lượng hợp chất chứa nitơ trong đó để làm phân bón cho cây trồng. Tuy nhiên, lượng phân bón cây trồng không hấp thụ hoàn toàn mà một phần sẽ bị phân hủy, rửa trôi vào môi trường nước. Trong môi trường nước urê rất dễ dàng bị thủy phân tạo thành ammoniac và khí carbonic. CO(NH2)2 + H2O à CO2 + 2NH3 Nguồn nước thải phát sinh trong chăn nuôi có lưu lượng nhỏ hơn so với nước thải sinh họat, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại. Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, bùn đất, thức ăn thừa, các hợp chất chứa nitơ được thoát ra ngoài từ các chất thải rắn khi gặp nước. Nước thải chuồng trại của các lòai nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau. Bảng 2.4. Thành phần nitơ trong phân một số loài động vật. Phân loài nuôi Độ ẩm% N % Bò thịt 85 0,5 Bò sữa 85 0,7 Gia cầm 72 1,2 Lợn 82 0,5 Dê, Cừu 77 1,4 Nguồn: Treatment management. Kluver Academic Press 2.3 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC Giới thuỷ sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao, như tôm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính…sẽ ảnh hưởng đến đời sống của giới này có trong nước. Nói chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước hết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đó là quá trình tự làm sạch của nước. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học, tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy, quá trình tự làm sạch nước thải gồm ba giai đoạn . Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán và hấp thu 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 đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ và cần vai trò rất quan trọng của giới thủy sinh. - Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chất đường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị phân huỷ chậm và rất chậm (có khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các loài thực vật nổi khác. - Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và tôm cá nhỏ. - Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v…cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi. - Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước. - Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và chất thải của người có thể lại làm bẩn nước. Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi toàn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong môi trường nước. Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch. Nước dần bị ô nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ô nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước 2.4 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường không nhiều. Sau một thời gian, những nhóm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số loài dần phong phú hơn. Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hóa và quá trình dị hóa. Quá trình đồng hóa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hóa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hóa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hóa có thể xảy ra bên trong và bên ngoài tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hóa. Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường không chứa nhiều hợp chất hóa học giàu năng lượng. Do đó, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngoài như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhóm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa các chất ở nhóm vi sinh vật tự dưỡng hóa năng. Đối với các nhóm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hóa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Trong quá trình chuyển hóa vật chất, vi sinh vật luôn luôn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hóa trước, sau đó mới sử dụng đến các vật chất khó chuyển hóa hơn. Do đó, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép. Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải Ghi chú : 1 : Giai đoạn thích nghi ban đầu 1’: Giai đoạn thích nghi với saccharose 1’’ Giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : Giai đoạn tăng trưởng ban đầu 2’: Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2’’ Giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : Giai đoạn cân bằng 4 : Giai đoạn suy vong. A : Đường cong sinh trưởng kép B : Đường cong sinh trưởng đơn. Hình 2.3 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải 2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn tại ở ba dạng: nitơ hữu cơ, ammoniac và dạng oxy hóa (nitrite, nitrate). Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ hữu cơ, amoniac hoặc NH4OH, thì chứng tỏ nước bị ô nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây ngộ độc với các và sinh vật trong nước. Nếu trong nước có hợp chất nitơ chủ yếu là nitrite (NO2-) là nước bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa chủ yếu là hợp chất nitơ ở dạng nitrate (NO3-) chứng tỏ quá trình phân hủy kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kỵ khí các nitrate dễ bị khử thành N2O, NO và nitơ phân tử tách khỏi nước bay vào không khí. Nếu nitrate ở trong nước cao có thể gây ngộ độc cho người. Amoniac (NH3) ở trong nước thải tồn tại dạng NH3 và NH4+ ( NH4OH, NH4NO3, (NH4)3SO4…) tùy thuộc vào pH của nước vì NH3 là một bazơ yếu. NH3 và NH4+ có vai trò thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hóa. Tính độc của NH3 cao hơn ion amon NH4+. Ở nồng độ 0.01 mg/l, NH3 đã gây ngộ độc cho cá. Trong nước mặt tự nhiên vùng không ô nhiễm có hàm lượng amon (<0.05ppm), nước thải công nghiệp có hàm lượng amon 10 ÷ 100mg/l. NH3 trong nước thải là sản phẩm của quá trình amon hóa nhờ các vi sinh vật. Chúng phân hủy các hợp chất N hữu cơ, giúp làm giảm ô nhiễm chất hữu cơ trong nước, đồng thời sản phẩm NH3 là nguồn cung cấp nitơ cho một số loài khác không có khả năng tham gia quá trình amon hóa. Số lượng các vi sinh vật này trong nước thải rất khác nhau, tùy thuộc vào nguồn gốc và thành phần loại nước thải. NH3 và ion NH4+ sẽ được chuyển thành dạng đạm nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa. Các chất này là nguồn cung cấp đạm cho nguồn nước. Vi khuẩn tham gia quá trình này gồm các loài: Nitrosomonas europara, Nitrobacter, Nitrosococcus sp. , Nitrospina gracilic và Nitrosococcus mobilis. Vi khuẩn nitrate hóa phân bố rất ít trong môi trường nước sạch, nghèo dinh dưỡng, trong các môi trường nước giàu dinh dưỡng số lượng của chúng có nhiều hơn, nhưng cao nhất cũng chỉ khoảng 10 tế bào/ml nước. Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra khi có mặt của oxy, nghĩa là trong môi trường thóang khí, còn trong môi trường yếm khí với sự có mặt của các hydrat carbon sẽ xảy ra quá trình ngược lại với quá trình nitrate hóa đó là quá trình phản nitrate hóa. Quá trình này khử nitrate qua nitrite thành NO, N2O, NH2OH, NH3 và N2. Trong nước tự nhiên nồng độ nitrate thường nhỏ hơn 5mg/l. Vùng bị ô nhiễm do chất thải hoặc phân bón hàm lượng nitrate trên 10mg/l làm cho rong tảo dễ phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt và nước nuôi trồng thủy sản. Đối với thủy vực, quá trình phản nitrate thường không có lợi ví nó làm mất nitơ và tạo thành các chất độc đối với thủy sinh vật như NH3, NO2-. Tuy nhiên, trong xử lý nước thải, đây lại là một quá trình quan trọng giúp loại bỏ bớt hàm lượng nitơ trong nước thải. Sông, suối, nước mưa, nước thải có chứa Nitrate và Ammoniac Cố định đạm N2 N2O NO2 Vi khuẩn + Sinh trưởng Thực vật phù du NO3 Sinh trưởng Nitrate hóa Động vật phù du NO2 Bài tiết Cá N2O NH4 Detritus yếm khí Bùn đáy Hình 2.4 Chu trình Nitơ trong nước thải 2.6 HỆ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 2.6.1 Vi khuẩn Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có mặt trong hầu hết các loại nước thải. Đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt, thủy sản, tinh bột ... thành phần và số lượng các loài vi khuẩn là phong phú và đa đạng nhất. Vi khuẩn tham gia nhiều quá trình chuyển hóa, từ các hợp chất hữu cơ đến vô cơ, từ các chất dễ phân hủy đến các chất độc hại. Các quá trình này nhờ hệ enzyme phong phú và chuyên biệt của mỗi nhóm, mỗi loài vi khuẩn. So với động vật và thực vật thì vi khuẩn có tính thích nghi cao hơn, nhiều loài có khả năng tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất trong những điều kiện sống không thuận lợi. Bên cạnh đó, vi khuẩn có tốc độ trao đổi chất nhanh. Trong một ngày đêm chúng có thể chuyển hóa một khối lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng. Chính vì thế, vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có nhiều tiềm năng nhất trong công nghệ xử lý nước thải. 2.6.2 Nấm men Nấm men chủ yếu có trong các lại nước thải chứa đường như nước thải nhà máy rượu, bia, nhà máy đường … Nấm men có thể phát triển trong môi trường chỉ chứa 1% hàm lượng đường nhưng khả năng chuyển hóa các hợp chất như protein, tinh bột rất kém, thậm chí có rất nhiều loài không có khả năng chuyển hóa các hợp chất như protein, hydratcarbon có trong nước thải. Đặc điểm quan trọng là khi nấm men phát triển trong môi trường nước thải có chứa đường bao giờ cũng có mặt các vi khuẩn tạo acid như acid lactic và acid acetic. Mặt khác nấm men thường tạo ra những sản phẩm độc hại với các vi sinh vật khác, khi tế bào nấm men chết đi sẽ làm trầm trọng thêm quá trình ô nhiễm, nước thải sẽ có mùi hôi thối khó chịu. 2.6.3 Tảo đơn bào Tảo đơn bào cũng là vi sinh vật phổ biến trong nước ô nhiễm và nước thải. Tảo thuộc nhóm từ dưỡng quang năng, ưa môi trường nước có tính kiềm yếu, phát triển mạnh trong môi trường có CO2 hòa tan. Trong quá trình phát triển, tảo cung cấp oxi cho môi trường, các chất kháng sinh tiêu diệt mầm bệnh, cạnh tranh nguồn thức ăn của vi sinh vật gây bệnh và là mắt xích rất quan trọng trong chuỗi và lưới thức ăn cho nhiều loài khác. Cùng với vi khuẩn và nấm men, tảo cũng được sử dụng như một tác nhân xử lý môi trường. 2.6.4 Những vi sinh vật khác Virus: là loài vi sinh vật nhỏ bé nhất trong giới vi sinh vật và hầu như bị tiêu diệt trong môi trường nước ô nhiễm hoặc nước thải. Virus chỉ tồn tại khi xâm nhập được vào tế bào sống như tế bào vi khuẩn. Khi đó, trong chu trình phát triển, chúng sẽ phá hủy tế bào vi khuẩn để nhân lên và phát tán ra môi trường xung quanh. Nếu quá trình làm tan tế bào này xảy ra trên những vi khuẩn có lợi thì quá trình tự làm sạch nước ô nhiễm và nước thải sẽ chậm lại. Nguyên sinh động vật: thường phát triển ở vùng đáy nguồn nước, trong đó thấy nhiều nhất là amip, trùng đế giày, thủy tức và trùng roi. Các loài nguyên sinh động vật thường chịu được các loại độc tố rất cao. Do đó việc loại bỏ chúng cũng gặp rất nhiều khó khăn. Hình 2.5 Hệ vi sinh vật trong nước thải CHƯƠNG 3 CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1.1 Nguyên tắc Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng. Quá trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hoà tan hoặc các hạt keo nhỏ. Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất có kích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp sinh học có thể khử các chất sulfit, muối amon, nitrat…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của các quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat… 3.1.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong xử lý nước thải 3.1.2.1 Hệ thống hiếu khí Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống hiếu khí trong nước thải gồm 3 giai đoạn: Oxy hóa các hợp chất hữu cơ CxHyOz + O2 à CO2 + H2O Tổng hợp tế bào mới CxHyOz + NH3 + O2 à CO2 + H2O + C5H7NO2 Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 à CO2 + H2O + NH3 3.1.2.2Hệ thống kỵ khí. Quá trình sinh học xảy ra trong hệ thống xử lý kỵ khí gồm có các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Thủy phân Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, carbohydrate, lignin… , được cắt mạch thành các phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino axit, carbohydrate mạch đơn. Quá trình này xảy ra chậm, tốc độ phân hủy phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Giai đoạn 2: Axit hóa Vi khuẩn lên men chuyển các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit béo dễ bay hơi (chủ yếu là axit acetic, propionic và axit lactic), CO2, H2, NH3 và sinh khối mới. Sự hình thành các axit có thể làm giảm pH xuống 4.0 Giai đoạn 3: Acetic hóa Axit acetic hóa chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối. Giai đoạn 4: Methane hóa Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số lọai cơ chất nhất định như CO2, H2, acetate… H2 + CO2 à CH4 + H2O 4HCOOH à CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH à CH4 + CO2 4CH3OH à 3CH4 + CO2+ 2H2O 4(CH3)3N+H2O à 9CH4+ 3CO 2 + 6H2O + 4NH3 Ở giai đoạn này acetate, H2, CO2….chuyển hóa thành methan và sinh khối mới. 3.1.3 Điều kiện áp dụng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Điều kiện đầu tiên để áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nước thải phải chứa một lượng chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tăng nguồn cacbon và năng lượng cho sinh vật. Nước thải không có chất độc làm chết hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Hai thông số đặc trưng COD và BOD5 phải có tỷ lệ COD/BOD5 ≤ 2 hoặc BOD5/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học yếm khí. Ngoài ra, các điều kiện khác như hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ của nước thải,… cũng phải nằm trong khoảng giới hạn xác định để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý. MỘT SỐ NGUYÊN TẮC TRONG XỬ LÝ HỢP CHẤT NITƠ Hợp chất Nitơ trong nước thải có nồng độ khác nhau trong từng loại nước thải, chủ yếu nằm ở dạng ammoniac hay các hợp chất hữu cơ dạng tan hoặc không tan. Nước thải chưa qua xử lý hoặc qua xử lý yếm khí chứa nitrate, nitrite với nồng độ rất thấp. Một phần hợp chất hữu cơ không tan được tách ra khỏi nguồn nước thải qua quá trình lắng sơ bộ. Trong quá trình xử lý yếm khí phần lớn nitơ ở dạng hợp chất không tan được chuyển ammoniac hoặc các dạng vô cơ tan (NO3-, NO2-). Một phần hớp chất chứa nitơ được vi sinh vật hấp thụ để xây dựng tế bào, thành phần hợp chất nitơ trong nước thải khi qua xử lý bậc hai là nitrate. Đối với nước thải sinh hoạt, quá trình xử lý thứ cấp chỉ loại bỏ không quá 30% tổng Nitơ trong nước thải. Tiến hành oxy hóa ammoniac, khử nitrate trong hệ thống xử lý nước thải khi có mặt chất hữu cơ phân hủy sinh học là tổ hợp các quá trình hiếu khí, thiếu khí chi phối, không những bị chi phối bởi chính các quá trình trên mà còn bị chi phối mạnh bởi sự có mặt của vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí (oxy hóa BOD), vi sinh vật dị dưỡng tùy nghi (khử nitrate) trong cùng một hệ. Mỗi quá trình được thực hiện trong những điều kiện không giống nhau. 3.2.1 Quá trình oxy hóa ammoniac. Nguyên tắc chung khi phối hợp hoặc tiến hành riêng rẽ quá trình xử lý oxy hóa nước thải chứa đồng thời hợp chất hữu cơ (BOD) và hợp chất nitơ (TKN) như sau: Tỷ lệ BOD / TKN trong nguồn nước thải quýet định việc lựa chọn hệ thống xử lý một hoặc hai giai đoạn đối với quá trình oxy hóa. Thông thường khi BOD / TKN > 5 sẽ áp dụng đồng thời (một giai đoạn) chất hữu cơ và hợp chất nitơ, khi BOD / TKN <3 sẽ áp dụng kỹ thuật xử lý hai giai đoạn. Khi áp dụng kỹ thuật xử lý một giai đoạn cần tính toán đồng thời hai quá trình ( tự dưỡng và dị dưỡng) xảy ra trong hệ, quá trình nào sảy ra chậm hơn thì các thông số phải đáp ứng cho quá trình đó và đồng thời phải đáp ứng thêm các yếu tố đặc thù để quá trình xảy ra nhanh hơn. Oxy hóa hai giai đoạn được tiến hành khi tỷ lệ BOD / TKN < 3. Kỹ thuật xử lý hai giai đoạn có những lợi thế linh hoạt, độ tin cậy cao, dễ tối ưu hóa. Giai đoạn đầu được sử dụng để loại bỏ BOD và vì vậy giai đoạn sau với mục đích xử lý nitơ được coi là giai đoạn bổ sung nâng cao một hệ thống xử lý đang hoạt động nhằm đáp ứng tiêu chuẩn thải về mặt dinh dưỡng. Nồng độ BOD của đầu ra giai đoạn một ảnh hưởng đến hoạt động của giai đoạn nitrate hóa nồng độ cao sẽ kiềm hãm tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng, nồng độ thấp sẽ thuận lợi cho giai đoạn oxy hóa ammoniac nếu áp dụng phương pháp xử lý màng vi sinh vật. Phương pháp màng vi sinh vật được sử dụng để xử lý hợp chất nitơ giai đoạn sau là nhỏ giọt và đĩa quay sinh học. 3.2.2 Quá trình khử Nitrate Xử lý nitơ thường áp dụng sơ đố công nghệ kết hợp giữa oxy hóa ammoniac và khử nitrate. Sơ đồ công nghệ xử lý hợp chất nitơ là công nghệ hai giai đoạn hiếu khí và thiếu khí phối hợp với nhau. Hệ xử lý cùng hệ bùn hoặc từng quá trình oxy hóa và khử tiến hành riêng với hệ bùn độc lập. Để tổ hợp giữa oxy hóa ammoniac với khử nitrate cần phân tích các đặc trưng riêng của từng quá trình riêng rẽ. Trong quá trình oxy hóa ammoniac, phản ứng cần được cung cấp oxy, kiềm, pH nằm trong khỏang 7,2 – 8,6, chất hữu cơ tan hầu như được chuyển hóa hết thành CO2 và H2O. Trong quá trình khử nitrate, phản ứng đòi hỏi không có mặt của oxy, cần chất hữu cơ, sinh ra một lượng kềm nhỏ, pH thấp hơn so với quá trình oxy hóa, tốc độ khử nitrate nhanh hơn tốc độ oxy hóa ammoniac. MỘT SỐ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC. Các hệ thống sinh học hiếu khí 3.3.1.1 Bùn hoạt tính Quá trình bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao các vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải. Quy trình xử lý nước thải bằng bùn họat tính được thực hiện với phạm vi ứng dụng rộng rãi xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Bùn hoạt tính bao gồm các vi sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng và hệ keo vô định hình và bùn kỵ khí ở dạng bông và hạt màu đen. Nhũng vi sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh, động vật hạ đẳng. Vai trò cơ bản trong quá trình tự làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn. Hệ vi sinh vật đặc trưng trong bùn họat tính như Bacillus, Pseudomonas, Achrobacter, hổn hợp các vi khuẩn khác như E. coli, Micrococus . Phần lớn các vi sinh vật trên đều có khả năng xâm chiếm và bám dính trên bề mặt vật rắn khi có cơ chất, muối khoáng và oxy tạo nên màng sinh học dạng nhầy có màu thay đổi theo thành phần nước thải. Trên lớp màng sinh học có chứa hàng tỷ tế bào vi khuẩn nấm men, nấm mốc... Tuy nhiên khác với hệ trong bùn hoạt tính thành phần loài và số lượng các loài sinh vật tương đối đồng nhất. Giai đoạn 1: bùn hoạt tính thành phần và phát triển. Lúc này cơ chất và chất và chất dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít. Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh.Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần, vào cuối thời giai đọan này rất cao.Tốc độ tiêu thụ tăng dần, vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2. Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần. Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzyme đạt tối đa và kéo dài trong thời gian tiếp theo. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt tối đa, các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất. Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi trong một thời gian khá dài. Giai đoan 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên. Tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm dần và quá trình nitrat hóa ammoniac xảy ra. Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của aerotank kết thúc. Buøn dö Buøn hoaït tính Khoâng khí Nöôùc thaûi Nöôùc saïch Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí 3.3.1.2 Lọc sinh học. Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước thải cũng như không khí. Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi lớp màng vi sinh vật. Các vi khuẩn trên màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng vi sinh hiếu khí là một hệ vi sinh tùy tiện. Ở ngoài cùng là lớp vi sinh vật hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus ở giữa là các vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Micrococus và Desulfovibrio. Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Vi sinh trong màng sinh học sẽ oxy hóa các hợp chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy, các chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng màng vi sinh vật tăng lên. Màng vi sinh vật chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học. Vật liệu đệm là vật liệu có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và diện tích bề mặt lớn như sỏi, xơ dừa..Màng vi sinh vật đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Tuy nhiên, vận tốc oxy hóa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn aerotank. Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polymer ngoại bào, tạo thành một lớp nhầy. Quá trình diễn ra rất phức tạp. Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng. Lúc này, bề mặt lớp màng còn tương đối nhỏ, oxy có khả năng xuyên thấu vào trong tế bào. Theo thời gian bề dầy lớp màng tăng lên, dẫn tới việc bên trong màng hình thành một lớp kỵ khí nằm dưới lớp hiếu khí. Khi chất hữu cơ không còn, các tế bào bị phân hủy, tróc thành từng mảng, cuốn theo dòng nước. Hình 3.2 Cơ chế màng lọc sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học là bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, vận tốc oxy hóa, cường độ thoáng khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh vật…. 3.3.2 Các hệ thống sinh học kỵ khí 3.3.2.1 Lọc sinh học kỵ khí hai giai đoạn. Hệ thống sinh học kỵ khí hai giai đọan gồm có: Ở giai đọan đầu, các hoạt động sinh hóa chính là sự lỏng hóa các hợp chất hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và quá trình axit hóa các hợp chất hữu cơ. Ở giai đoạn hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa (tạo metan), tuy nhiên vẫn có sự phân chia ở bề mặt và phân hủy bùn. Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải trọng cao với sự khuấy trộn liên tục hỗn hợp, trong khi đó ở giai đoạn hai thường có tải trọng thấp với sự phân riêng bùn và nước. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn giai đoạn hai. Hầu hết các bể phân hủy được giữ ở nhiệt độ 29,40C – 37,80C để đẩy mạnh thời gian phân hủy. Thông thường sự axit hóa sẽ không xảy ra nếu bùn khô được thêm vào hoặc lượng bùn dư hằng ngày không vượt quá 3 – 5% lượng bùn khô có trong hệ thống. Sự axit thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn methane, giảm khả năng tạo khí,.... Vì vậy có sự phát ra mùi khó chịu, tạo bọt và bùn nổi. 3.3.2.2 Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB( Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor) Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm chứa nồng độ chất hữu cơ cao. Bể chia làm 2 ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng căn giữ lại. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí – lỏng và bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước, di từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể các vi sinh vật liên kết với nhau và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để không bị cuốn trôi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong bể kỵ khí ( chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ giúp cho việc hình thành các hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. 3.3.2.3 Lọc kỵ khí bám dính cố định Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định có sử dụng các vi sinh vật bám dính trên các vật liệu lọc đặt trong bể có dòng nước thải chảy từ dưới lên hoặc từ trên xuống và màng vi sinh vật bám dính này không bị rửa trôi trong quá trình xử lý. Dòng nước thải vào và dòng tuần hoàn ra được phân bố từ bên này sang bên kia của bể phản ứng sinh học. Quá trình xử lý xảy ra là kết quả của bùn lơ lửng và hòa trộn sinh khối được giữ lại ở màng lọc. Dòng chảy ra bởi phần trên của màng, là tập hợp các tác nhân bị đào thải. Khí nằm ở phía dưới bể phản ứng được thu lại và được chuyển sang nơi khác để xử dụng sau. 3.3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí đệm giãn nỡ - FBR, EBR (fluidized and aepanded bed reactor) Các vi sinh vật bám dính trên các chất mang sẽ được phân bố đều khắp thiết bị nhờ tốc độ dòng chảy ngược thích hợp, làm giãn nỡ lớp cát. Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí có đệm giãn, tốc độ dòng chảy ngược đủ lớn để ngăn sự gắn kết sinh khối của các hạt chất mang này, kết quả là làm gia tăng thể tích đệm so với thể tích thực của nó. Trong các đệm giãn nỡ, vận tốc dòng chảy ngược có thể làm giảm đệm từ 15 – 30%. Với thể tích giãn nỡ này, sự kết dính các sinh khối chỉ được ngăn chặn một phần nào đó bởi dòng chảy và một phần khác là do sự tiếp xúc với các sinh khối kết dính liền kề nhau. Dưới những điều kiện này, sinh khối kết dính sẽ bị ngăn chặn hoàn toàn bởi dòng chảy ngược và di chuyển tự do trong môi trường đệm. Khí sinh ra ở đây là kết quả của sự tiếp xúc này. CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIỆN NAY Do các đặc điểm của từng quá trình, xử lý nitơ có thể thực hiện bằng hai phương án: khử nitrate riêng biệt hoặc tổ hợp hai quá trình trên trong cùng một hệ sinh khối. Khử nitrate riêng biệt là tiến hành xử lý nguồn nước đã bị oxy hóa trước đó, nguồn nước chứa nitrate. Do xử lý riêng biệt nên cần bổ sung chất hữu cơ như methanol, ethanol… Tổ hợp xử lý oxy hóa – khử (nitrate hóa và khử nitrate hóa) cùng hệ sinh khối hay còn gọi là hệ xử lý khử nitrate trước, quá trình oxy hóa được đặt sau và chỉ sử dụng một bể lắng thứ cấp. Loại bỏ nitrate bằng bùn hoạt tính. Loại bỏ nitrate là tạo điều kiện cho vi sinh vật khử nitrate hoặc phản nitrate hoạt động để khử nitrate thành Nitơ phân tử hay bay vào không khí. Do vậy các phương pháp sinh học hay được dùng nhiều nhất để loại bỏ ô nhiễm các chất chứa nitơ. Các điều kiện cấn thiết để khử nitrate là: Trước hết phải có một quá trình nitrate hóa xảy ra và lượng nitrate được tích tụ khá lớn trong môi trường. Cần có nguồn carbon hữu cơ có khả năng đồng hóa. Quan hệ với không khí là hiếu khí (anoxic), nguồn carbon có thể là là nước thải thô, để thỏa mãn việc loại bỏ nitrate, người ta bổ sung nhũng hợp chất hữu cơ dễ bị vi sinh vật đồng hóa, việc bổ sung nguồn carbon từ bên ngoài là rất cần thiết. Khử nitrate cũng có thể do chuyển hóa nội sinh của sinh khối vi sinh vật được tạo ra. Trong bùn hoạt tính khi có một số tế bào vi sinh vật chết đi và tự phân hủy, các chất dinh dưỡng được hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrate và vi sinh vật nói chung. Trong bể aerotank đơn giản làm thoáng kéo dài, với kiểu làm việc không liên tục của các máng sục khí, cho phép khử nitrate từng phần và hiệu quả của toàn bộ quá trình (nitrate hóa và khử nitrate hóa) đạt hiệu suất không vượt quá 70%. Để thu được hiệu quả loại bỏ nitơ sinh học cao ở các trạm xử lý lớn phải đưa thêm vào đầu bể thoáng khí (aerotank) một vùng thiếu khí (anoxic). Vùng thiếu khí nhận bùn tuần hoàn đưa từ bể lọc thứ hai trở lại với một lượng lớn. Vùng này được cung cấp bằng nguồn nước thải. Sau lọc cùng với bùn hồi lưu, trộn đều nhưng không sục khí hiệu quả loại bỏ nitơ sinh học theo kiểu này đạt tới 95% trong các điều kiện tối ưu. 3.4.2 Khử nitrate bằng sinh trưởng ở thể huyền phù Khử nitrate bằng sinh trưởng ở thể huyền phù thường được thực hiện trong một hệ thống bùn hoạt tính hóa theo kiểu dòng này ( nghĩa là tiếp theo sau bật kỳ quá trình chuyển hóa ammoniac và nitrogen ở dạng hữu cơ thành nitrate – nitrate hóa ). Các vi khuẩn kỵ khí nhận được năng lượng để tăng trưởng từ việc chuyển nitrate qua thành khí nitrogen nhưng đòi hỏi một nguồn carbon bên ngoài để thực hiện sự tổng hợp tế bào. Các dòng ra được nitrate hóa thường chứa ít hợp chất có carbon vì thế methanol thường được dùng làm nguồn carbon, nhưng các chất thải công nghiệp nghèo chất dinh dưỡng cũng đã được dùng. Vì thế nitrogen tạo thành trong phản ứng khử nitrate cản trở sự lắng xuống của hỗn hợp dịch nên bể phản ứng khử nitrogen phải hoạt động trước bể lắng trong quá trình khử nitrate. Việc khử methanol dư lại, kể cả BOD cũng là một thuận lợi nữa của việc dùng bể khử khí nitrogen. 3.4.3 Loại bỏ nitrate bằng màng sinh học Khử nitrate bằng vi sinh vật phản nitrate hóa trong màng sinh học sinh trưởng gắn kết cố định ở các lọc sinh học hiệu quả cao. Nước chảy qua màng vi sinh học, nitrate hóa xảy ra đồng thời với oxy hóa BOD5 hoặc chậm hơn. Khử nitrate theo phương pháp này thường được thực hiện ở các tháp lọc có chứa sỏi hoặc vật liệu tổng hợp. Các màng sinh học sẽ hình thành bám dính vào bề mặt vật liệu khi nước thải chảy qua. Lọc sinh học hiếu khí cần cấp không khí đi qua. Cũng như quá trình khử nitrate theo kiểu sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính), khử nitrate theo kiểu sinh trưởng cố định cũng cần bổ sung nguồn carbon hữu cơ để cung cấp cho vi sinh vật nitrate hóa và khử nitrate xây dựng tế bào. Nước thải sau khi qua xử lý có BOD = 2.5%mg/l, NH4+ = 3mg/l, hiệu quả phân hủy BOD5 = 89%, lọai bỏ huyền phù 88% và tổng Nitơ được 85%. SBR Các giai đoạn của quá trình SBR xảy ra nối tiếp nhau trong cùng một bể. Chuỗi nối tiếp các giai đoạn của quá trình xử lý gồm: nạp đầy, phản ứng, lắng, tháo ra và chờ. Khử nitơ trong SBR có thể thành hai giai đoạn sau: Giai đoạn 1: giai đoạn đầu tiên là giai đoạn thổi khí nhằm kết hợp oxy hóa carbon và nitrate hóa. Giai đoạn 2: giai đoạn hai là giai đoạn thiếu khí thực hiện quá trình khử nitrate hóa. Quá trình BARDENPHO Gồm 4 vùng hiếu khí và thiếu khí xen kẽ, dòng tuần hoàn từ vùng thiếu khí đầu tiên đến vùng thiếu khí đầu chuỗi với lưu lượng 4 – 6 lần lưu lượng vào. Quá trình khử nitơ hoàn thiện hơn so với quá trình một, hai, ba bậc. Vùng hiếu khí thứ nhất không đạt được khử nitrate hoàn toàn thì vùng thiếu khí thứ hai khử bổ sung thêm và hầu như khử lượng nitrate từ vùng hiếu khí thứ hai sang một cách hoàn toàn và sử dụng carbon từ quá trình hô hấp nội bào của vi sinh vật. Vùng hiếu khí sau cùng khử nitơ ra khỏi hỗn hợp bùn lỏng để ngăn ngừa bùn nổi ở bể lắng đợt hai Hình 3.3 Sơ đồ quá trình BARDENPHO CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 4.1 CÁC CHẾ PHẨM SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ HÀM LƯỢNG NITƠ CAO. Chế phẩm sinh học là những sản phẩm có chứa một số nhóm vi sinh vật như Bacillus sp, Nitrosomonas sp, Nitrobacter sp, Pseudomonas….ngoài ra trong thành phần còn có chứa các enzyme (men vi sinh) như protease, lipase. Tác dụng của chế phẩm sinh học khi đưa vào môi trường nước ô nhiễm tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động tốt hơn. Phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước ( chất hữu cơ là một trong những nguyên nhân làm môi trường nước bị ô nhiễm) giảm sự gia tăng lớp bùn đáy, giảm các độc tố trong môi trường nước (do các chất khí NH3, H2S… phát sinh ) do đó sẽ giảm mùi hôi trong nước thải. Ức sự hoạt động và phát triển của vi sinh vật có hại, giúp ổn định pH của nước thải, ổn định màu nước do chế phẩm sinh học hấp thụ các chất dinh dưỡng hòa tan trong nước. Do đó việc xử dụng chế phẩm sinh học sẽ có ý nghĩa nhiều mặt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế cho quá trình xử lý nước thải. 4.1.1 Các chế phẩm sinh học xử lý nước thải chứa nitơ trên thị trường. Hiện nay các chế phẩm sinh học đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực môi trường nhất là xử lý nước thải chứa nồng độ nitơ ( chất hữu cơ) cao. 4.1.1.1 Men vi sinh JUMBO Hình 4.1 Men vi sinh JUMBO Sản phẩm được sản xuất tại Công Ty TNHH Điền Giang. Men vi sinh JUMBO là một hổn hợp dạng bột (hoặc lỏng) bao gồm các chủng vi khuẩn (Bacillus subtilis, Bacillus lichenformic, Bacillus polymisa), nấm và các enzyme protease, lipase. Trong 100g sản phẩm chứa 3,5 ×108 cfu Bacillus có khả năng hoạt động mạnh trong môi trường chứa chất hữu cơ như nước thải. Men vi sinh sẽ tạo ra lớp bùn hoạt tính mới hoặc bổ sung cho lớp bùn hoạt tính cũ của bể vi sinh làm tăng khả năng xử lý các hợp chất trong quá trình xử lý nước thải. Cách sử dụng men vi sinh này được đưa vào giai đoạn khởi động hệ thống, hòa tan 1kg men vi sinh vớo 5 lít nước sau đó đổ đều lên bề mặt vi, sinh hồ sinh học để tạo lớp bùn hoạt tính (bùn hiếu khí hay kỵ khí) hoặc vào các lớp màng vi sinh đã có sẳn trong quá trình xử lý nước thải nếu cấy mới 1kg cho 2 – 3 m3 nước thải, còn nếu cải tạo bổ sung 1kg cho 10 – 15m3 nước thải. Nhằm đảm bảo cho quá trình xử lý triệt để hơn thì có thể bổ sung thêm vi sinh để tăng khả năng xử lý nước thải trong bể xử lý sinh học. Vi sinh vật được bổ sung bằng chế phẩm giúp cho quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ, làm giảm lượng BOD, COD, NH3.. và các mùi hôi. 4.1.1.2 Chế phẩm sinh học EMIC Hình 4.2 Chế phẩm EMIC Hãng sản xuất MITECOM Công Ty cổ phần công nghệ vi sinh và môi trường. Chế phẩm EMIC là thành phần gồm hỗn hợp vi sinh hữu ích có khả na7ng phân giải mạnh protein , có khả năng sinh chất ức chế, chất kháng sinh vi sinh vật có hại. Chế phẩm vi sinh EMIC được sử dụng trong quá trình xử lý hiếu khí. Nồng độ vi sinh vật tổng số khoảng > 109 cfu/g. EMIC có tác dụng phân giải nhanh các hợp chất hữu cơ trong nước thải, làm giảm tối đa mùi hôi của chất thải hữu cơ. Đặc biệt phân giải nhanh rác thải có hàm lượng Nitơ chất hữu cơ cao. EMIC là chế phẩm trung tính, an toàn, không độc hại với người, giai súc và môi trường. Đối nước thải công nghiệp cấy mới vi sinh khoảng 40 rg/m3 cho lần đầu hoặc hệ thống mới, sử dụng nước thải bổ sung hàng ngày hoặc một tuần một lần với luợng 2 – 4gr/m3/ ngày đêm nước thải hữu cơ. Hệ thống vận hành đảm bảo để vi sinh vật hoạt động tốt 2gr/m3 bể điều hòa 2gr/m3 bể hiếu khí. 4.1.1.3 AQUAPOND Hình 4.3 Chế phẩm AQUAPOND Sản phẩm của Công Ty TNHH và TM Văn Minh AB. Chế phẩm bao gồm một số loài bacillus licheniformis, bacillus megaterium, bacillus stearothermophilus, bacillus subtilis, Pseudomonas và các enzyme protease, lipase.... Chế phẩm AQUAPOND có chức năng phân hủy hợp chất hữu cơ chứa nitơ từ thức ăn thải. Chất bùn bã, chất hữu cơ lơ lửng nhờ khả năng tổng hợp enzyme phân hủy hữu cơ như protease, amylase và lipase. Chúng còn có chức năng tổng hợp chất kháng khuẩn làm giảm số lượng vi sinh vật gây bệnh và cải thiện cho môi trường xung quanh. 4.2 MỘT SỐ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐẶC TRƯNG 4.2.1 Quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo. Nöôùc thaûi Beå biogas Ao loïc sinh hoïc baäc 1 Ao tuøy nghi Ao loïc sinh hoïc kî khí Ao loïc sinh hoïc baäc 2 Nöôùc ra Hình 4.4 Quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo. Thuyết minh quy trình. Nước thải trước tiên thu gom về bể Biogas. Vì đa phần các hợp chất hữu cơ trong nước thải là dễ phân hủy nên khi qua bể Biogas, khoảng 50 – 60% COD và 70 – 80% cặn lơ lủng bị loại bỏ. Từ bể Biogas, nước thải được dẫn vào ao lọc sinh học kỵ khí có giá đỡ bằng xơ dừa làm đệm sinh học. Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm rắn và tạo thành các lớp màng sinh học. Ở đây xảy ra quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật kỵ khí, chuyển hóa những chất hữu cơ phức tạp thành những chất đơn giản, dễ phân hủy hơn, hoặc tạo thành các sản phẩm cuối cùng như CO2, CH4, H2S, NH4... Sau khi qua khỏi ao lọc sinh học kỵ khí, nước thải được đưa vào ao tùy nghi với thời gian lưu khoảng 10 ngày. Quá trình khử chất ô nhiễm trong hồ tiến hành bởi hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi. Sự phân bố quần thể các vi sinh này diễn ra theo chiều sâu hồ. Từ ao tùy nghi, nước thải chảy vào ao lọc sinh học bấc và bậc 2. Nhìn chung pH sau quá trình này thường đạt trung tính (pH = 7 ). Tạo ao lọc sinh học bậc 1, hiệu quả khử COD đạt 50 – 68%. Ao lọc sinh học bậc 2 cho hiệu quả khử COD đạt 15 – 50%. Như vậy áp dụng ao sinh học hiếu khí cho phép khử 80 – 90% COD, 80 – 86% Nitơ. 4.2.2 Quy trình công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột. Nước thải vào Hồ tùy nghi Bể lọc sinh học kỵ khí Bể trung hòa Bể axit hóa Bể lắng Song chắn rác Hồ hiếu khí 1 Hồ hiếu khí 2 Sân phơi bùn Nước sau xử lý Hình 4.5 Quy trình công nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột Thuyết minh công nghệ Trước tiên nước thải được dẫn hồ ổn định, sau khi qua song chắn rác để loại bỏ tạp chất có thể gây tắc nghẽn hệ thống xử lý. Tại hồ ổn định nước thải được đưa vào bể lắng, lượng cặn tinh bột mịn sẽ được thu hồi làm thức ăn gia súc. Nước thải sau khi lắng được bơn đến bể axit hóa với thời gian lưu nước 2 ngày với mụ đích chính là khử CN- và chuyển hóa các chất khó phân hủy thành các hợp chất đơn giản dễ xử lý sinh học. Vi sinh vật hoạt động tại bể axit hóa được bổ sung từ bùn tự hoại và phân bò tươi. Kế tiếp, nước thải tự chảy vào bể trung hòa, vật liệu trung hòa là đá vôi. Nước thải sau trung hòa có pH vào khoảng 6 – 6.5 thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo. Từ đây, nước thải tự chảy đến bể lọc sinh học kỵ khí với thời gian lưu nước hai ngày. Vật liệu lọc là sơ dừa dạng sợi tơi, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí bám dính, phát triển tốt. Mầm vi sinh vật đưa vào ban đầu vẫn là bùn tự họai. Cuối cùng nước thải được xử lý qua hệ thống hồ sinh học nhằm khử triệt để chất hữu cơ và đặt biệt là khử nitơ. Hệ thống hồ sinh học bao gồm hồ tùy nghi (lưu nước 20 ngày), hồ hiếu khí 1 (lưu nước 10 ngày), hồ hiếu khí 2( lưu nước 5 ngày). Bùn sau lắng và bùn sinh ra từ quá trình lọc kỵ khí được xả định kỳ vào bể phơi bùn và tận dụng làm phân bón. CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Áp dụng các quá trình sinh học trong việc xử lý nitơ cũng như các hợp chất hữu cơ có trong nước thải là một phương pháp có hiệu quả cao. Hàm lượng nitơ trong nước thải sau khi qua xử lý bằng phương pháp sinh giảm từ 80 – 90 % so với lượng ban đầu. Các phương pháp sinh học sử dụng để khử nitơ trong nước thải cần có điều kiện thực hiện khá khắc khe tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển. Tiến hành nhiều phương pháp khác nhau trước khi tiến hành xử lý bằng phương pháp sinh học. 5.2 KIẾN NGHỊ Cần có kinh tế và diện tích tiến hành các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải với quy mô lớn trong một thời gian ngắn. Nhằm xử lý triệt để lượng nước thải của các ngành. Cần có nhiều nghiên cứu khác nhau để xo sánh mức độ, khà năng xử lý của từng công trình xử lý. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty - Vi Sinh Vật Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [2] Lê Văn Cát – Xử Lý Nước Thải Giàu Nitơ Và Photpho –Nhà Xuất Bản Hà Nội, 2007 [3] PGS. TS. Nguyễn Văn Phước – Giáo Trình Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Và Công Nghiệp Bằng Phương Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Xây Dựng – 2007 [4] Trần Cẩm Vân – Giáo Trình Vi Sinh Vật Môi Trường – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội [5] Nguyễn Đức Lượng – Công Nghệ Enzyme – Nhà Xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [6] Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Nguyễn Lân Dũng, Phạm Trân Châu – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1982 [7] PGS. TS Lương Đức Phẩm – Công Nghệ Xử Lý Nước Thải Bằng Biện Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam. [8] Nguyễn Đức Lượng,Nguyễn Thị Thùy Dương - Công nghệ sinh học môi trường – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam [9] Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 23 (2007) 75-85 [10] Hoàng Huệ - Xử lý nước thải - NXB Xây dựng Hà Nội, 1996 [11] Ngô Tự Thành, Bùi Thị Việt Hà, Vũ Minh Đức, Chu Văn Mẫn - Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25 (2009) 101-106 [12] PGS.TS Nguyễn Xuân Thành - Giáo Trình Vi Sinh Vật Học Công Nghiệp – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [13] Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt - Dinh Dưỡng Của Vi Sinh Vật – Nhà Xuất Bản Hà Nội [14] Nguyễn Đức Lượng - Vi sinh vật công nghiệp, Công nghệ vi sinh Tập 2 - NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2006 [15] Nguyễn Tiến Thắng, Giáo trình công nghệ enzyme - Trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp.HCM, 2008 TÀI LIỆU INTERNET [1] [2 [3 www.xulynuocthai.net [4 www.khoahoc.com.vn [5 www.wikipedia [6