Khóa luận Tổng quan về các quá trình sinh học trong xử lý nước thải thủy sản

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. 3.2.1. 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 vậy. Tuỳ theo công nghệ xử lý mà người ta có thể sử dụng nhóm này hay nhóm khác. 3.2.1.1. 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 huỷ chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí: Giai đoạn thuỷ phân: thuỷ phân các hydratcacbon, protein, lipid thành các monomer để có thể hấp thụ qua màng tế bào bởi các vi sinh vật kỵ khí tuỳ 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 lean men axit các sản phẩm thuỷ phân thành các chất hữu cơ đơn giản. Trong 3 nhóm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí tuyệt đối và kỵ khí tuỳ tiện thì vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện là nhóm tạo axit chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện phân huỷ protit và vi khuẩn amon hoá axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp, Lactobacillus spp, Desulfovibrio spp, Corynebacterium spp, Actinomyces; Staphylococcus, Escherichia coli. Vài loại 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 huỷ kỵ khí còn thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulflovibrio, các vi khuẩn phân huỷ protid tạo hydrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Benicillium, Fusarium, Mucor,… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên axit. Nhưng nhìn chung giai đoạn 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 đoạn lên men kiềm: các axit béo dễ bay hơi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân huỷ thành CH4 và CO2 làm cho môi trường trở nên kiềm hoá. Trong giai đoạn 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. Ơ giai đoạn này các vi khuẩn metan đóng vai trò chủ yếu trong sự phân huỷ 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. 3.2.2.2.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 hoá, 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 hoá 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 huỷ 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 huỷ 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 hoá: thực hiện quá trình chuyển hoá 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 hoá 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 hoá N-NH3 thành N=NO3 nhưng có kèm theo sản phẩm trung gian, trong khi đó Nitrobacter oxy hoá N=NH3 trực tiếp sang dạng N-NO3. Loài động vật ăn thịt: chính trong quá trình chuyển hoá 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 hoá 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 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 hoá. 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. b) 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, metazoan 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 tuỳ 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, và Zoogloea. Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hoá ammoniac 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 hoá NH3 thành nitrit và nitrat. Các loại nấm thông thường là: Sphaerotilus natans và Zoogloea 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 hoạt 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 tỏ 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 hoà tan. Cả Flagellates và vi khuẩn đều sử dụng 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 vẫn còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ hoà tan. + Ciliates: thức ăn của Ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng. Ciliates 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 Ciliates : 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 Ciliates trườn, bò: khi thức ăn 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. + Rotifer: 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 như 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. Rotifer can 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 huỷ hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ….và khử nitrat 2 Arthrobacter Phân huỷ hydratcacbon 3 Bacillus Phân huỷ hydratcacbon, protein…. 4 Cytophaga Phân huỷ polimer 5 Zoogloea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích luỹ poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hoá 8 Nitrobacter Nitrat hoá 9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân huỷ protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân huỷ protein 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat (khử nitrat thành N2) 13 Thiobaccillus denitrificans 14 Acinetobacter 15 Hyphomicrobium 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat c) 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 hoà tan tăng lên một cách nhanh chóng trong khi các phân tử keo bị suit 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 hoá được. Hệ vi khuẩn gồm có thức 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 hoá, như các loài Nitrosomonas và Nitrobacter, thường được phát hiện ở những vùng có nồng độ các chất hữu cơ lơ lửng thấp. d) 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 loại 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 hoá 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 hồ ổn định. Các Rotifer: Epiphanes, Philodina và Proales cũng có thể tăng trưởng trong môi trường hiếu khí. Các loài giáp xác: Monia 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. 3.3. QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ CỦA VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 3.3.1. Quá trình phân hủy hiếu khí Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinhvật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kị khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn vận tốc hòa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần có trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần. Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 - 400C, tối ưu là 25 - 300C. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Oxy hóa chất hữu cơ CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H Giai đoạn 3: Oxy hóa chất liệu tế bào C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH2 ± ∆H Động học của quá trình xử lý hiếu khí: Sự phát triển của vi sinh vật: Sự tăng trưởng của vi sinh vật theo dạng đường cong ABCDE A B C D E Thời gian Mật độ TB . . . . . Hình 3.5. Sự phát triển của vi sinh vật Quá trình sinh trưởng chia thành các giai đoạn sau: (a) Giai đoạn tiềm phát (AB) (giai đoạn sinh trưởng chậm) Vi sinh vật cần thời gian để thích nghi với môi trường và ở cuối giai đoạn này vi sinh vật mới bắt đầu phát triển và khi đó các tế bào mới tăng về số lượng nhưng chủ yếu kích thước tế bào phát triển còn số lượng tăng không đáng kể X = X0, (X: sinh khối vi sinh vật, mg/l) (b) Giai đoạn lũy tiến (BC) (giai đoạn tăng trưởng logarit) Vi sinh vật phát triển theo hàm logarit và tốc độ tăng trưởng riêng đạt giá trị cực đại. Trong suốt thời kỳ này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản, khả năng thu nhận và đồng hóa thức ăn. (c) Giai đoạn phát triển ổn đinh (CD) (giai đoạn cân bằng) Số lượng tế bào vi sinh vật được giữ ở mức không đổi (số lượng tế bào mất đi bằng số lượng tế bào mới sinh ra). Tính chất sinh lý tế bào vi sinh vật thay đổi, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt. (d) Giai đoạn suy vong (DE) (giai đoạn tự chết) Trong giai đoạn này tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần tốc độ chết vượt xa tốc độ sinh sản. Tốc độ tăng trưởng riêng Nồng độ cơ chất Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học hiếu khí diễn ra có hiệu quả thì ta phải đảm bảo các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, các chất dinh dưỡng, trong môi trường phải không có các chất độc, đảm bảo điều kiện tốt nhất cho hệ vi sinh. Tốc độ tăng trưởng tế bào [2]: : tốc độ tăng trưởng riêng KS: hằng số bán bão hòa = f (T, pH, các chất độc…) max : tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (s-1, ngày-1) S: nồng độ cơ chất (mg/l) X: nồng độ sinh khối vi sinh vật (mg/l) Sự tăng trưởng của tế bào và việc sử dụng chất nền [2]: Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và liên tục, một phần cơ chất được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hóa thành các chất vô cơ. Do các tế bào mới phải tiếp tục sử dụng các chất nền có trong nước thải và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập được quan hệ giữa sự tăng trưởng của tế bào và viếc sử dụng chất nền. Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (là tỉ số giữa khối lượng tế bào với khối lượng chất nền được tiêu thụ trong một đơn vị thời gian nhất định ở pha sinh trưởng logarit) rsu: tốc độ sử dụng chất nền (mg/l.s), (mg/l.ngày) Với : tốc độ sử dụng chất nền cực đại trên một đơn vị sinh khối Ảnh hưởng của hô hấp nội bào: Trong các công trình xử lý nước thải, không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều có tuổi như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng logarit mà có những tế bào già, chết và sinh trưởng chậm. Khi tính toán tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật ta phải xét đến tổ hợp các hiện tượng này và ta giả thiết sự giảm khối lượng của tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỷ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải. Ta gọi sự giảm khối lượng này là hô hấp nội bào. Tốc độ hô hấp nội bào [2]: Kd: hệ số phân hủy nội bào (1/ngày) X: nồng độ sinh khối (mg/l, g/m3…) Kết hợp với quá trình phân hủy nội bào, tốc độ tăng trưởng thực của tế bào: rg’: tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn Tốc độ tăng trưởng riêng thực: (1/ngày) Tốc độ tăng sinh khối của bùn hoạt tính: Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng sinh hóa của quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình truyền tải oxy vào trong nước, quá trình trao đổi chất và quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn theo công thức [2]: K20: tốc độ phản ứng ở 200C KT: tốc độ phản ứng ở T0C : hệ số nhiệt (=1,047) 3.3.2. Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải sẽ bắt đầu sinh trưởng và phát triển. Trong nước thải bao giờ cũng có những hạt chất rắn lơ lững khó lắng, các chất này sẽ là nơi dính bám của vi khuẩn và phát triển thành những bông cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ trong nước. Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo thì chúng sẽ lơ lững trong nước và lớn lên dần do quá trình hấp thụ nhiều chất lơ lững nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật, chất độc có trong nước. Khi ngừng thổi khí hay nguồn chất dinh dưỡng trong nước cạn kiệt thì những bông cặn này sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn, bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại tạo thành bông với nhân trung tâm là chất lơ lững có trong nước. Bông này có màu nâu kích thước từ 2 -150mm. Bông này gồm có vi sinh vật sống và cặn (chiếm khoảng 20 - 40% thành phần cấu tạo bông, nếu trong môi trường hiếu khí và khuấy trộn đều thì hàm lượng cặn chỉ còn 20%). Vi sinh vật ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh… Các chất keo dinh trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lững, vi khuẩn, chất màu, mùi trong nước thải làm cho hạt bùn lớn dần và đồng thời lượng bùn cũng tăng dần rồi từ từ lắng xuống đáy (bùn hoạt tính khi lắng xuống tạo thành bùn già và hoạt tính trở nên giảm, tuy nhiên nếu được hoạt hóa trong môi trường thích hợp thì chúng có thể khôi phục trở lại). Kết quả nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn, nước thải được làm sạch. Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông của bùn. Bông tạo ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần. Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảm dần năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫn nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kết dính tế bào vi khuẩn với nhau. Trong bùn hoạt tính ta còn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh loài và quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh. Để phát huy vai trò của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hòa tan trong nươc, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH, chất dinh dưỡng trong nước. Khi cân bằng dinh dưỡng ta có thể sử dụng Urê, NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phothat, supephotphat làm nguồn cung cấp P. Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ N trong muối amôn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l. Nếu 500 < BOD <1000 mg/l thì chọn thông số tương ứng là 25 và 8mg/l. Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vật hấp thụ và đồng hóa. Nguồn N (dạng NH4+) và P (dạng photphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất cho vi sinh vật. Ngoài ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng như nguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Nếu thiếu N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hóa – khử trong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật không sinh sản, không tăng sinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hóa làm bùn khó lắng. Thiếu P làm xuất hiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hóa chất hữu cơ của bùn hoạt tính giảm. Các vi sinh vật trong bùn chủ yếu là 4 lớp protozoa: Sacrodina, Mastgophora, Ciliata, Suctoria hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sacrodina. 3.3.3. Sinh trưởng bám dính – màng sinh học Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính bám trên bề mặt giá đỡ. Trong số các vi sinh vật, có một số sinh vật có khả năng tạo ra polysacrit, chất này có tính dẻo hay còn gọi là polyme sinh học, chất này tạo thành màng sinh học. Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ. Màng này có khả năng oxy hóa chất hữu cơ có trong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngoài ra màng còn có tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán… Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa chất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng. Màng này thường dày từ 1 – 2mm và có thể dày hơn nữa. Màu của màng có thể thay đổi, tùy theo thành phần của nước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong qui trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kích thước từ 15 – 20 mm có màu vàng xám hay màu nâu. Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát hay sỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ. Chiều dày của lớp cát thường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ… giữa chúng sẽ tạo thành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất về thành phần loài và số lượng sinh vật. Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước, các chất hữu cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời số lượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh. Chất hữu cơ khó phân hủy sẽ được phân giải sau với tốc độ chậm hơn. Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều loài vi sinh vật, ngoài vi sinh vật hiếu khí còn có vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Ở lớp ngoài cùng màng là lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus. Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và khử nitrat. Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự có mặt của nguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu làm chất màng. Quần thể vi sinh vật của màng có tác dụng như bùn hoạt tính. Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới cùng là ít nhất. Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của quá trình biến đổi kị khí là alcol, axit hữu cơ…. Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật khác hấp thụ vì vậy mà không ảnh hưởng lớn đến màng lọc. Với đặc điểm như vậy mà màng lọc có thể oxy hóa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nước qua màng lọc chậm dần từ đó phin lọc làm việc có hiệu quả hơn. Nếu lớp màng quá dày thì ta có thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiên hiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khôi phục trở lại. Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn. Hiệu quả của phin lọc có thể giữ đuợc 99% vi khuẩn. Quá trình phân hủy kị khí: Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện không có oxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kị khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí là axit hữu cơ, các ancol cuối cùng là NH3, H2S và chủ yếu là CH4, vì vậy mà quá trình này còn gọi là quá trình lên men kị khí sinh mêtan hay lên men mêtan. Quá trình phân hủy kị khí gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản, protein bị thủy phân thành albomoz, pepton, peptic, axit amin, chất béo thủy phân thành glyxerin và axit béo. Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thủy phân này tiếp tục phân hủy tạo thành khí CO2, CH4 ngoài ra còn có một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Các hydratcacbon bị phân hủy sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành CO2, CH4. Các hợp chất hữu cơ hòa tan bị phân hủy gần như hoàn toàn (axit béo tự do hầu như phân hủy gần 80-90%, axit béo loại este phân hủy gần 65-68%). Riêng hợp chất chứa lignin là chất khó phân hủy nhất, chúng là nguồn tạo ra mùn. Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kị khí, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CH4 chiếm 60 -75%. Quá trình lên men mêtan gồm 2 pha điển hình: pha axit và pha kiềm. Ở pha axit, hydratcacbon (xenlulozơ, tinh bột, các loại đường…) dễ bị phân hủy tạo thành axit hữu cơ có phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axetic…). Một phần chất béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH của môi trường có thể thấp hơn 5 và xuất hiện mùi hôi. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan có chứa nitơ tiếp tục phân hủy thành những hợp chất amôn, amin, muối của axit cacbonic và tạo thành một số khí như CO2, N2, CH4, H2, H2S, indol, mecaptan gây mùi khó chịu, lúc này pH của môi trường bắt đầu tăng chuyển sang trung tính và sang kiềm. Ở pha kiềm, đây là pha tạo thành khí CH4. Các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho quá trình lên men mêtan và tạo thành CH4, CO2. pH của pha này chuyển hoàn toàn sang môi trường kiềm. Quá trình thủy phân các chất hữu cơ trong môi trường kị khí là quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều vi sinh vật kị khí. Nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kị khí là 10 - 150C, 20 - 400C và trên 400C. thời gian lên men kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, nếu ở nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài hàng tháng. CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN 4.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN Dựa trên đặc trưng nước thải thủy sản đã tìm hiểu ở Chương 1 đề tài nhận thấy nước thải này có hàm lượng chất hữu cơ cao, tỷ lệ BOD5/COD>0,5, đồng thời nước thải không chứa các chất độc đối với vi sinh vật như các kim loại nặng, các axit hoặc kiềm mạnh…nên rất thích hợp cho xử lý sinh học. Qua tham khảo, các công nghệ xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản thường áp dụng hệ thống Aeroten để xử lý. Tuy nhiên, do hàm lượng BOD5, COD, SS trong nước thải khá cao nên trước khi đi vào hệ thống Aeroten, cần kết hợp các biện pháp xử lý khác để giảm hàm lượng các chất ô nhiễm, để phù hợp với điều kiện làm việc của bể Aeroten và giảm tải trọng cho bể Aeroten. Với các biện pháp tiền xử lý khác nhau, đề tài xin đề xuất 4 phương án xử lý nước thải thủy sản như sau: 4.2. PHƯƠNG ÁN 1 Nước thải Phân bón Máy thổi khí Ống dẫn nước Ống dẫn bùn Ống dẫn bùn tuần hoàn Ống dẫn nước tuần hoàn Song chắn rác Bể lắng cát Bể điều hòa Bể lắng 1 Bể UASB Bể aerotank Bể lắng 2 Bể khử trùng Bể nén bùn Nguồn tiếp nhận Đem san lấp mặt đường Đem chôn lấp Ống dẫn khí Sân phơi cát Hinh 4.1. Sơ đồ công nghệ phương án 1 Bơm clo Máy ép bùn Thuyết minh quy trình công nghệ Nước qua song chắn rác được đưa đến bể UASB tương tự như ở phương án 3. Nước sau khi qua công trình này tiếp tục được xử lý hiếu khí tại aerotank, rồi chảy tràn qua bể lắng đợt 2. Bùn thu được từ bể lắng đợt 2 là bùn hoạt tính, một phần được bơm tuần hoàn lại bể aerotank, phần còn lại được bơm qua bể chưa bùn tiếp tục xử lý. Nước được khử trùng bằng Clo, đạt QCVN 11:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến thuỷ sản trước khi thải ra nguồn tiếp nhận. Bùn thải ra ở bể lắng 1, bể UASB, bể lắng 2 sẽ được bơm qua bể nén bùn để tách ẩm, giúp giảm tải lượng đáng kể. Lượng bùn sau đó được đưa qua máy ép bùn để có thể tách nước tới mức tối đa, lượng bùn sau khi ép có thể sử dụng bón cho cây trồng hoặc đem chôn lấp. Nước ép thu từ bể nén bùn, máy ép bùn được tuần hoàn lại bể điều hòa để tiếp tục xử lý. Ưu điểm Thường được sử dụng, do nó phù hợp với điều kiện khí hậu ở các nước nhiệt đới. Vận hành tương đối đơn giản. Phù hợp cho các loại nước thải có hàm lượng COD từ thấp đến cao. Những năm gần đây UASB được ứng dụng rộng rãi hơn các công nghệ khác do nguyên lý quá trình được xem là thuận tiện và đơn giản nhất, những hạn chế trong quá trình vận hành UASB có thể dễ dàng khắc phục bằng các phương pháp xử lý sơ bộ. Tính kinh tế cũng là một ưu điểm của UASB. Chi phí đầu tư thấp. Nồng độ cặn khô từ 20%-30%. Không sử dụng hóa chất. Khuyết điểm Rất nhạy cảm với các hợp chất gây ức chế. Trong một số trường hợp cần xử lý thứ cấp để giảm sự sinh mùi. Thời gian làm khô bùn dài. Hoạt động không phụ thuộc vào điều kiện môi trường và thời tiết. Tuy nhiên những mặt hạn chế này dễ khắc phục. Xử lý sơ bộ tốt sẽ đảm bảo được môi trường sinh trưởng thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí. Nếu cấy vi khuẩn tạo acit và vi khuẩn tạo methane trước (phân trâu bò tươi) với nồng độ thích hợp và vận hành với chế độ thủy lực £1/2 công suất thiết kế thì thời gian khởi động có thể rút ngắn xuống từ 2 - 3 tuần. 4.3. PHƯƠNG ÁN 2 Nước thải Sân phơi bùn Bể lọc sinh học cao tải Ống dẫn bùn Ống dẫn khí Song chắn rác Bể lắng cát Bể điều hòa Bể lắng 1 Bể UASB Bể lắng 2 Bể khử trùng Bể nén bùn Nguồn tiếp nhận Rửa cát, đem san lấp mặt đường Đem chôn lấp Ống dẫn nước Ống dẫn nước tuần hoàn Bể chứa bùn Máy thổi khí Sân phơi cát Thải bỏ hoặc làm phân bón Ống dẫn bùn tuần hoàn Hình 4.2. Sơ đồ công nghệ phương án 2 Thuyết minh quy trình công nghệ Nước thải qua song chắn rác được tách bỏ một phần rác có kích thước lớn, rác từ đây được thu đem chôn lấp, thải bỏ. Nước thải chảy qua bể lắng cát. Nước thải được lấy qua máng thu và bơm lên bể điều hòa, có gắn hệ thống thổi khí để ổn định lưu lượng và nồng độ. Sau đó, nước thải được bơm đến bể lắng 1, được sử dụng là bể lắng đứng để tách một phần chất hữu cơ dễ lắng. Bùn thu được tại đây là dạng bùn tươi, được bơm về bể chứa bùn. Nước được tiếp tục đưa qua bể UASB, sau công trình này nước được đưa qua bể lọc sinh học cao tải. Nước thu được cho chảy qua bể lắng đợt 2, sau đó khử trùng bằng clo trước khi đưa ra ra nguồn tiếp nhận. Bùn dư được thu tại bể chưa bùn, đem nén bùn để giảm độ ẩm, rồi đưa qua sân phơi bùn để tiếp tục làm giảm bớt lượng nước. Bùn sau khi xử lý được đem chôn lấp hoặc sử dụng để bón cho cây trồng. Nước từ bể nén bùn được tuần hoàn về bể điều hòa để tiếp tục tham gia quá trình xử lý. Ưu điểm Vận hành tương đối đơn giản. Phù hợp cho các loại nước thải có hàm lượng COD từ thấp đến cao. Xử Nồng độ cặn khô từ 15%-25%. Khuyết điểm Không phù hợp với nước thải có SS cao. Dễ bị bít kín ở bể lọc sinh học cao tải. Phải sử dụng nơi có nhiều đất thường là vùng nông thôn, thị trấn. Có sử dụng polymer châm vào để tăng khả năng tách nước. Hoạt động phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và khí hậu. Cần có lao động thủ công để xúc bùn khô từ sân phơi bùn lên xe tải. Thời gian làm khô bùn dài. Nước thải Máy ép bùn Song chắn rác Bể lắng cát Bể điều hòa Bể lắng đứng kết hợp đông tụ sinh học Bể Aerotank Bể lắng 2 Bể khử trùng Bể phân hủy bùn hiếu khí Nguồn tiếp nhận Đem san lấp mặt đường Đem chôn lấp Ống dẫn nước Ống dẫn bùn Ống dẫn nước tuần hoàn Ống thổi khí Bể chứa bùn Máy thổi khí Thải bỏ, làm phân bón Máy thổi khí Ống dẫn bùn tuần hoàn Sân phơi cát Hình 4.3. Sơ đồ công nghệ phương án 3 4.4. PHƯƠNG ÁN 3 Thuyết minh quy trình công nghệ Nước thải qua song chắn rác được tách bỏ một phần rác có kích thước lớn, rác từ đây được thu đem làm thức ăn cho gia súc, chôn lấp. Nước thải chảy qua bể lắng cát để lắng bớt cát hạt cát có kích thước lớn. Nước thải được lấy qua máng thu và bơm lên bể điều hòa, có gắn hệ thống thổi khí để ổn định lưu lượng và nồng độ. Lượng cát lắng ở bể lắng cát được đưa qua sân phơi cát để làm khô cát sử dụng cho mục đích xây dựng hay san lấp đường. Trước khi đến công trình xử lý chính (bể Aeroten), nước được đưa đến bể lắng đứng kết hợp đông tụ sinh học để tiến hành làm thoáng sơ bộ giúp việc giảm một phần các hợp chất hữu cơ và lắng các thành phần lơ lửng. Nước thải có thành phần hữu cơ giảm đáng kể được đưa đến bể lắng II để lắng bùn (vi sinh vật). Bùn lắng ở bể lắng II được tuần hoàn lại bể aeroten và bể đông tụ sinh học. Nước sau lắng II thỏa điều kiện thải ra nguồn tiếp nhận. Bùn được ổn định tại bể sinh học hiếu khí, ở đây, một phần nước được tách khỏi bùn và được dẫn trở lại bể điều hòa. Trước khi đem bùn đi đổ bỏ, bùn được giảm ẩm đáng kể tại máy ép bùn. Ưu điểm Chiếm diện tích xây dựng nhỏ hơn bởi số lượng công trình ít (giảm bớt 1 công trình xử lý sinh học kị khí, thêm vào đó xử lý sơ bộ tại bể lắng I trước Aeroten). Nhược điểm Xây dựng và quản lý phức tạp. Ít nhạy cảm với các hợp chất gây ức chế. Chi phí năng lượng cao hơn. Đòi hỏi người quản lý có chuyên môn cao. Chi phí vận hành cao vì cần nhiều máy thổi khí nên tốn nhiều năng lượng. Khử nitơ chưa triệt để. 4.5. PHƯƠNG ÁN 4 Nước thải Song chắn rác Bể điều hòa kết hợp lắng sơ cấp Bể tuyển nổi Nước tuần hoàn Đổ bỏ Máy ép bùn băng tải Bể nén bùn Nguồn tiếp nhận Bể khử trùng Bể lắng đợt II Bể Aeroten Bùn tuần hoàn Chú thích: Nước thải Bùn Nước tuần hoàn Hình 4.4. Sơ đồ phương án 4 Thuyết minh dây chuyền công nghệ: Nước thải từ các công đoạn trong nhà máy được thu gom vào hệ thống cống dẫn và đi vào trạm xử lý. Từ cống nước thải qua song chắn rác thô để loại bỏ các rác có kích thước lớn, rồi sau đó đổ bể điều hòa kết hợp lắng sơ cấp, tại bể điều hòa, dòng nước thải được ổn định lưu lượng và nồng độ các chất bẩn tạo điều kiện vận hành tốt và giúp giảm thể tích cho các công trình xử lý nước thải phía sau, đồng thời tại bể điều hòa kết hợp lắng sơ cấp sẽ lắng được một phần chất rắn lơ lửng trong nước thải. Hàm lượng chất lơ lửng trong thành phần nước thải thủy sản khá cao, tiếp đó nước thải được bơm lên bể tuyển nổi và thực hiện quá trình tuyển nổi áp lực, các chất màu, máu, mỡ từ bể tuyển nổi được đưa đi xử lý ở các thiết bị xử lý bùn cặn. Sau khi ra khỏi bể tuyển nổi, BOD5, COD, SS trong nước thải giảm một lượng đáng kể và được đi qua bể Aeroten để tiếp tục phân hủy các chất hữu cơ còn lại trong nước thải. Tại đây nước thải được trộn đều với bùn hoạt tính nhờ oxy không khí mà máy thổi khí cung cấp. Nước thải ở đầu ra của bể Aeroten có lẫn bùn hoạt tính được dẫn vào bể lắng để tách bùn. Một phần bùn dư từ đáy của bể lắng được bơm tuần hoàn hồi lưu trở lại bể Aeroten để đảm bảo hiệu quả xử lý, lượng bùn dư thừa được bơm bùn dẫn đến bể nén bùn. Nước trong sẽ chảy tràn qua bể tiếp xúc khử trùng và được hòa trộn chung với dung dịch chlorine nhằm diệt các vi khuẩn. Nước thải sau xử lý đạt QCVN 11:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến thuỷ sản và được xả ra nguồn tiếp nhận gần đó. Bùn được đưa vào bể nén bùn được xử lý nhằm giảm ẩm ở bể, tách nước bằng máy ép bùn băng tải. Bùn sau khi tách nước được đem đi thải bỏ. Ưu điểm: Quy trình xử lý đơn giản, hiệu quả, ít tốn diện tích xây dựng. Giảm chi phí năng lượng, nhân công. Thời gian làm khô bùn ngắn giúp rút ngắn thời gian xử lý. Nhược điểm: Bùn sau khi ép không được xử lý triệt để. Bể khử trùng khó khử hết nito, photpho, không thích hợp với nước thải có hàm lượng SS cao. 4.6. MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN ĐƯỢC ÁP DỤNG 4.6.1. Công nghệ xử lý nước thải nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN Bình Chiểu Nước tách bùn Song chắn rác thô Hố thu gom Song chắn rác tinh Bể tuyển nổi – vớt dầu Bể điều hòa Bể keo tụ - tạo bông Bể lắng Mương trung hòa Bể SBR Bể khử trùng Ra môi trường Thu gom và xử lý theo quy định Nước thải Váng dầu Sân phơi bùn Bùn mang đi xử lý theo qui định Bể chứa bùn Máy ép bùn Bùn mang đi xử lý theo qui định Hóa chất HN 377,HN 378 Nước tách bùn Bể lắng cát Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Hình 4.5. Sơ đồ công nghệ XLNT tập trung KCN Bình Chiểu Thuyết minh quy trình Nước thải xử lý của nhà máy chủ yếu là nước thải chế biến thủy sản Tất cả các thiết bị trong lúc hoạt động đều được ghi nhận và đưa tín hiệu về tụ điều khiển chính. Hệ thống điều khiển có 3 chế độ: AUTO: Điều khiển tự động OFF: Tắt MAN: Điều khiển bằng tay Nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp trong KCN theo hệ thống cống dẫn qua song chắn rác thô. Tại đây, những loại rác như: cành cây, túi nilong, hộp nhựa… có kích thước lớn hơn 10mm được loại bỏ khỏi nước thải do được giữ lại ở song chắn. Lượng rác này sẽ được trục vớt thủ công và được công ty có chức năng thu gom xử lý. Nước thải sau khi qua song chắn rác thô sẽ được tập trung vào hố thu trước khi bơm lên song chắn rác tinh. Hoạt động của 3 bơm chìm được lắp đặt tại hố thu sẽ tiếp tục đưa nước thải qua hệ thống song chắn rác tinh. Với kích thước giữa các khe là 2mm song chắn rác tinh có nhiệm vụ giữ lại toàn bộ rác có kích thước lớn hơn hay bằng 2mm. Bên cạnh đó, thiết bị này còn có tác dụng giúp giảm lượng các chất lơ lửng có trong nước thải. Song chắn rác tinh hoạt động liên tục, lượng rác thu được cho vào thùng chứa và được mang đi xử lý. Sau đó, nước thải tự chảy qua bể tách dầu. Dầu mỡ là một trong những tác nhân gây nhiều ảnh hưởng không tốt đến quá trình xử lý sinh học. Do đó, sự có mặt của bể tách dầu là rất cần thiết. Dầu mỡ được tách theo dựa trên phương pháp trọng lực do dầu mỡ có trọng lượng riêng nhỏ hơn nước nên sẽ nổi lên bề mặt được gạn vào hố và chảy vào thùng thu dầu. Nước thải tiếp tục chảy qua bể điều hòa. Tại đây, nước thải sẽ được điều hòa về nồng độ và lưu lượng bằng máy khuấy trộn chìm. Đồng thời còn giúp hạn chế quá trình yếm khí. Nước thải sau khi điều hòa sẽ được bơm qua bể keo tụ - tạo bông gồm 2 ngăn: ngăn phản ứng và ngăn tạo bông ( nước thải sẽ được bơm qua ngăn phản ứng trước sau đó chảy qua ngăn tạo bông). Tại đây, nước thải sẽ được khuấy trộn đều với hóa chất: HN377 và HN378 bằng máy khuấy. Hóa chất HN377 được cho vào ngăn phản ứng. Nó là một hỗn hợp gồm: xút, canxi, magie hydroxyte polysilicat và bột nhẹ. Hóa chất HN377 có tác dụng làm kết tủa các kim loại nặng, nâng pH giúp cho quá trình keo tụ tạo bông diễn ra tốt hơn. Hỗn hợp nước thải sau đó chảy qua ngăn tạo bông. Tại đây, hóa chất HN378 là một hỗn hợp gồm một số chất trợ lắng, trợ keo như: polyacryamide anion, polyalumicloride, KMnO4, NaSiF được châm vào giúp cho quá trình tạo bông và lắng tốt, đồng thời giúp điều chỉnh pH về giá trị thích hợp giúp cho quá trình xử lý sinh học ở giai đoan sau. Ngoài ra, KMnO4 còn có tác dụng oxy hóa sơ bộ các chất hữu cơ trước khi đưa vào bể sinh học và oxy hóa khử kim loại nặng. Ở ngăn này, cánh khuấy khuấy trộn nhẹ nhàng để bông cặn không bị vỡ. Sau đó, nước thải tiếp tục chảy vào ống trung tâm của bể lắng đứng. Bể lắng đứng có nhiệm vụ lắng các bông cặn từ bể tạo bông và một phần chất lơ lửng trong nước thải. Nước thải sau lắng chảy vào ngăn thu nước, qua mương trung hòa trước khi đi vào bể SBR. Mương trung hòa có tác dụng trung hòa pH, xáo trộn đều nước thải thông qua hệ thống các vách ngăn hở. Bể SBR là công trình xử lý sinh học hiếu khí.Tại đây, giai đoan quan trọng nhất xảy ra, vi sinh vật có trong bùn hoạt tính sẽ tiến hành phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Sau xử lý quá trình lắng cũng xảy ra ngay tại bể giúp xử lý một phần nitơ, photpho, tiết kiệm diện tích, tăng cường hiệu quả lắng và không cần phải tuần hoàn bùn. Cuối cùng nước thải chảy vào bể khử trùng gồm 4 ngăn trước khi xả vào hồ chứa. Chất khử trùng được sử dụng là Clorine. Lượng bùn trong bể lắng và lượng bùn dư trong bể SBR sẽ được bơm vào bể chứa bùn. Bể chứa bùn được sục khí thường xuyên để bùn đều, không bị nghẹt bơm, đồng thời tránh lên men kị khí. Sau đó, bùn được bơm vào máy ép bùn băng tải. Tại máy ép bùn, bùn được bơm vào ngăn hòa trộn của máy ép bùn cùng với polymer trước khi đi vào hệ thống băng tải. Polymer sử dụng là polyacrylamide cation, có tác dụng giúp kết dính bùn nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ép. Phần bùn sau ép được thu gom và xử lý theo qui định. Còn phần nước và bùn sau ép ( do máy ép không ép hết lượng bùn) sẽ theo hệ thống ống dẫn chảy vào hố thu bùn và được bơm vào sân phơi bùn..Tại đây, bùn được thu gom xử lý còn nước tách từ bùn chảy về hố thu. Mục đích là làm giảm lượng COD trong nước trước khi chảy về hố thu Ngoài ra, nếu lượng bùn trong bể chứa bùn vượt mức sẽ tràn qua ống dẫn đến hố thu. 4.6.2. Một số công trình khác Nước thải Bể gom Bể điều hòa Bể tuyển nổi Bể UASB Bể Aeroten Bể lắng Máng trộn Nguồn tiếp nhận Clorine Nước hòa khí cao áp Sục khí Sục khí Bể mêtan Bể chứa bùn Bể nén bùn Máy lọc ép băng tải Bùn khô dạng bánh Bùn đặc Nước tách bùn Cặn váng nổi Bùn đã phân hủy Bùn tuần hoàn Bùn Hình 4.6. Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản công ty TNHH Hùng Vương Song chắn rác Bể lắng cát Bể thu gom Máy sàng rác Bể điều hòa Bể UASB Bể lọc sinh học Bể lắng Bể tiếp xúc Nguồn tiếp nhận Chlorine Không khí Nước thải Thùng thu rác Sân phơi cát Thùng thu rác Bể thu bùn Bể nén bùn Máy ép bùn Bể thu nước dư Thải bỏ Nước dư Nước tuần hoàn Hình 4.7. Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải công ty chế biến thủy sản NATFISHCO Nước thải SCR Bể gom Bể điều hòa Bể lắng I Bể UASB Sông Bể khử trùng Bể phân hủy bùn Bể lắng II Aeroten Chế biến thức ăn gia súc Bùn tuần hoàn Bùn Thải bỏ Sân phơi bùn Bể nén bùn Bể chứa bùn Hình 4.8. Sơ đồ quy trình công nghệ xử lý nước thải công ty chế biến thủy sản Việt-Nga PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc xử lý ô nhiễm là vô cùng cấp bách và có ý nghĩa quan trọng trong sự phát triển bền vững của các ngành sản xuất nói chung, và của ngành chế biến thủy sản nói riêng. Trên cơ sở tìm hiểu tổng quan về nước thải thủy sản thì đề tài đã tìm hiểu được: Trong nhiều giải pháp xử lý nước thải thủy sản được đưa ra, phương pháp công nghệ sinh học được đánh giá cao với chi phí rẻ và hiệu quả. Hiệu quả xử lý của các bể sinh học là hơn 90%. Tùy theo đặc tính của từng loại nước thải mà ứng dụng loại công nghệ khác nhau có thể sử dụng các vi sinh vật kỵ khí, hiếu khí hoặc kết hợp. Đối với nước thải có tải luợng ô nhiễm cao thì cần kết hợp nhiều quá trình sinh học lại với nhau. Đối với tải lượng ô nhiểm thấp thì có thể chỉ sử dụng các công trình hiếu khí. Trên cơ sở thực tế đã áp dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải chế biến thủy sản ở nhiều công trình và cho hiệu quả cao, đạt QCVN 11:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến thuỷ sản, đáp ứng được yêu cầu bảo vệ môi trường cho các nguồn tiếp nhận như tại các nhà máy: Nhà máy chế biến thủy sản Việt Nga, Công ty chế biến thủy sản NATFISHCO,… KIẾN NGHỊ Hiện nay nguồn nước đang bị ô nhiễm rất trầm trọng do các nhà máy xí nghiệp chưa quan tâm đến việc xử lí nguồn thải của mình. Thiết nghĩ các nhà máy nên và phải xây dựng các biện pháp giảm thiểu và xử lí đại tiêu chuẩn môi trường các nguồn thải trước khi thải ra nguồn tiếp nhận. Nếu triển khai các phương án xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp sinh học, tác giả xin lưu ý một số vấn đề nhỏ nhưng rất quan trọng liên quan đến hệ thống xử lý của các phương án đã đề ra: Trước khi xây dựng hệ thống xử lý nên cho chạy thử trên mô hình thực tế, xem xét kết quả nước thải đầu ra để có thể hiệu chỉnh kịp thời những sai sót. Phải thường xuyên theo dõi hoạt động của hệ thống xử lý để kịp thời khắc phục những sự cố có thể xảy ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO Lâm Minh Triết, Xử lý nước thải đô thị và công nghiệp – Tính toán thiết kế công trình, NXB ĐHQG, 2006. Trịnh Xuân Lai, Nguyễn Trọng Dương, Xử lý nước thải công nghiệp, NXB Xây Dựng Hà Nội, 2005. Trịnh Xuân Lai, Tính toán – Thiết kế các công trình xử lý nước thải, NXB Xây Dựng. MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GDP: Tổng sản phẩm quốc nội BOD5: Lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ COD: Lượng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hóa học trong nước SS: Chất rắn lơ lững N: Nito P: Photpho XNK: Xuất nhập khẩu XNXK: Xí nghiệp xuất khẩu XN: Xí nghiệp CBTSXK: Chế biến thủy sản xuất khẩu XNKTS: Xuất nhập khẩu thủy sản TSS: Hội chứng sốc nhiễm độc F/M: Hiệu suất sục khí và tỷ lệ thức ăn trên vi sinh vật DO: Lượng oxy hòa tan trong nước cần cho sự hô hấp của các sinh vật nước SBR (Sequencing batch reactor): Hệ thống xử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nito cao UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Bể xử lý nước thải VSV: Vi sinh vật QCVN: Quy chuẩn Việt Nam KCN: Khu công nghiệp TNHH: Trách nhiệm hữu hạn NXB: Nhà xuất bản ĐHQG: Đại học quốc gia DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các thông số ô nhiễm đặc trưng đối với nước thải chế biến thủy sản của một số nhà máy chế biến đông lạnh Bảng 1.2. Tải lượng ô nhiễm nước thải của một số nhà máy chế biến thủy Bảng 1.3. Thành phần nước thải nhà máy chế biến cá khô muối Bảng 2.1. Các giá trị thông dụng để thiết kế song chắn rác Bảng 2.2. Các giá trị thiết kế bể lắng cát Bảng 2.3. Vài giá trị của hằng số thực nghiệm của a, b ở t>=20oC Bảng 2.4. Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm sau khi qua bể lắng sơ cấp Bảng 2.5. Một số giá trị tham khảo để thiết kế bể lắng sơ cấp hình trụ tròn và hình chữ nhật Bảng 2.6. Các thông số tham khảo để thiết kế bể lắng thứ cấp Bảng 3.1. Chức năng của một số vi khuẩn trong bùn hoạt tính DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí Hình 3.1. Sự sinh sôi của vi sinh vật Hình 3.2. Vết tích của một số loài vi khuẩn Hình 3.3. Một số vi sinh vật trong xử lý nước thải Hình 3.4. Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải Hình 3.5. Sự phát triển của vi sinh vật Hình 4.1. Sơ đồ công nghệ phương án 1 Hình 4.2. Sơ đồ công nghệ phươn án 2 Hình 4.3. Sơ đồ công nghệ phương án 3 Hình 4.4. Sơ đồ công nghệ phương án 4 Hình 4.5. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp Bình Chiểu Hình 4.6. Sơ đồ công nghệ quy trình chế biến nước thải chế biến thủy sản công ty TNHH Hùng Vương Hình 4.7. Sơ đồ công nghệ xử nước thải công ty chế biến thủy sản NATFISHCO Hình 4.8. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải công ty chế biến thủy sản Việt – Nga