Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học yếm khí

ưới trong nông nghiệp trong thời gian dài được vì sẽ gây mặn cho đất. Nước có chứa nhiều chất rắn tan có thể dẫn tới các vi sinh vật trong nước bị hoại sinh, oxi bị tiêu thụ nhiều và nước trở nên kị khí, dẫn đến hậu quả cá bị chết và do quá trình kị khí chiếm ưu thế nên giải phóng các bọt khí như CO2, NH3, H2S, CH4... làm cho nước có mùi. Nước có hàm lượng các chất tan lớn cũng không dùng được trong công nghiệp vì các chất rắn sẽ dẫn đến đóng cặn trong bể chứa, nồi hơi, máy móc, gây ra ăn mòn kim loại... Để xác định tổng hàm lượng các chất rắn tan trong nước, ta lọc mẫu nước qua giấy lọc băng xanh để tách những phần tử lơ lửng không tan trong nước. Lấy 250ml nước đã lọc, làm bay hơi trên bếp cách thuỷ đến cạn khô, sau đó sấy cặn ở 180oC, đem cân cặn và tính tổng hàm lượng chất rắn tan có trong nước ra mg/l. Độ dẫn điện [1] Các muối tan trong nước tồn tại ở các dạng ion nên làm cho nước có khả năng dẫn điện. Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào nồng độ, tính linh động và hoá trị của các ion ( ở nhiệt độ nhất định). Như vậy khả năng dẫn điện của nước phản ánh hàm lượng chất rắn tan trong nước. Để xác định độ dẫn điện người ta đo điện trở hoặc dùng máy đo độ dẫn trực tiếp với đơn vị là milisimen (mS). Độ dẫn điện của mẫu nước được so với độ dẫn điện của dung dịch chuẩn KCl. ở 25oC độ dẫn điện tương ứng của dung dịch KCl với các nồng độ khác nhau như sau : Dung dịch 0,001M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 141 mS Dung dịch 0,01M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 147,3 mS Dung dịch 0,05M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 666,8 mS Dung dịch 0,1M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 1290,0 mS Độ cứng của nước [1] Độ cứng của nước do các kim loại kiềm thổ, chủ yếu là canxi và magie gây nên. Nước cứng thường không được gọi là ô nhiễm vì không gây hại tới sức khoẻ con người. Nhưng nước cứng lại gây nên hàng loạt các hậu quả: nước cứng pha chè không ngấm, xà phòng không tạo bọt vì xà phòng tạo kết tủa với ion Ca2+, Mg2+. Độ cứng có hai dạng : Độ cứng tạm thời do muối hidrocacbonat của canxi và magie tạo nên. Độ cứng này sẽ mất khi đun sôi nước vì các muối này bị phân huỷ tạo thành kết tủa, đó là dạng đóng cắn ở đáy và thành ấm đun nước. Độ cứng vĩnh cửu do các muối clorua, sunfat, nitrat của canxi và magiê tạo nên. Độ cứng thường được biểu thị bằng số milimol của các ion canxi và magiê có trong một lít nước (trước đây thường được biểu thị bằng số mg CaO/lit hay bằng số mg CaCO3 /lit). Để xác định độ cứng của nước người ta thường dùng phương pháp chuẩn độ complexom với dung dịch đệm NH3 + NH4Cl có pH =10. Với chất chỉ thị là Eriocrom T đen. Độ axit [1] Độ axit được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước tham gia phản ứng với kiềm mạnh (NaOH hay KOH). Độ axit của nước được xác định bằng lượng kiềm được dùng để trung hoà nước. Đối với các loại nước thiên nhiên thường gặp, độ axit của nước phụ thuộc vào lượng CO2 trong nước. Các chất mùn và các axit hữu cơ có trong nước cũng tạo nên một phần độ axit của nước thiên nhiên. Trong tất cả các trường hợp đó, pH của nước thường không nhỏ hơn 4,5. Đối với nước thải, chứa các loại axit mạnh tự do chứa các muối tạo bởi axit mạnh và bazơ yếu sẽ dẫn đến độ axit của nước cao. Trong những trường hợp này pH của nước không lớn hơn 4,5. Để xác định độ axit của nước, người ta chuẩn độ nước bằng dung dịch chuẩn NaOH hay KOH, lượng dung dịch kiềm tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chỉ thị là metyl da cam tương ứng với lượng axit tự do của nước, còn nếu dùng chất chỉ thị là phenolphtalein thì tương ứng với độ axit chung của nước. Nếu pH của nước ³ 8,3 thì độ axit của nó bằng không. Độ kiềm [1] Độ kiềm được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước phản ứng với các axit mạnh. Để xác định độ kiềm của nước người ta sử dụng phương pháp chuẩn độ nước bằng dung dịch axit mạnh. Đối với nước thiên nhiên, độ kiềm của nó phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng muối cacbonat, hidrocacbonat của các kim loại kiềm thổ. Trong trường hợp này pH của nước thường ³ 8,3. Để xác định độ kiềm của nước, người ta chuẩn độ mẫu nước bằng dung dịch chuẩn HCl, lượng dung dịch axit tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chị thị là phenolphlalein (pHtđ) tương ứng với lượng kiềm tự do chất chỉ thị là metyl da cam (pHtđ = 4,5). Tương ứng với độ kiềm toàn phần của nước. Để xác định độ pH của nước người ta thường dùng máy đo pH. Oxi hoà tan trong nước (DO: dissoled oxygen) [1] Oxi tan trong nước rất ít. Độ tan bão hoà của oxi trong nước sạch ở O0C vào khoảng 14-15 ppm (hay mg/l). Thông thường nước ít bão hoà oxi mà chỉ có 70-80% so với mức bão hoà. Đôi khi do các thực vật nổi và các loại thực vật sống trong nước thực hiện quá trình quang hợp mạnh nên giải phóng ra oxi nhiều làm cho oxi trong nước đạt trên mức bão hoà (200% gọi là siêu bão hoà ). ở các hệ sinh thái nước, trừ ban ngày có quá trình quang hợp xảy ra mạnh còn nói chung DO là nhân tố hạn chế và đôi khi gây nên tình trạng thiếu oxi và làm chết các sinh vật ở nước. Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nước, ví dụ khi có nhiều chất hữu cơ trong nước thì DO giảm đáng kể. Nước bình thường có giá trị DO là 14-16 mg/l, nếu thấp hơn giá trị này là nước ô nhiễm. Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nước, ví dụ khi có nhiều chất hữu cơ trong nước thì DO giảm đáng kể. Nước bình thường có giá trị DO là 14-16 mg/l, nếu thấp hơn giá trị này là nước ô nhiễm. 1.1.11. Nhu cầu oxi sinh hoá (BOD: Biochemical Oxygen Demand) [1] BOD là lượng oxi vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxi hoá các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật CO2 + H2O + sản phẩm cố định Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hoà tan trong nước . Chỉ tiêu BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để đánh giá mức độ ô nhiễm của một nguồn thải. Nó biểu thị cho lượng chất hữu có thể bị phân huỷ bởi vi sinh vật . Chỉ số BOD cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ là chất bẩn có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn. Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy hoá hoàn toàn chất hữu cơ bởi vi sinh vật vì đòi hỏi phải phải có nhiều thời gian. Vì vậy để xác định gần đúng giá trị BOD người ta chỉ cần xác định trong 5 ngày và có kí hiệu BOD5. 1.1.12. Nhu cầu oxi hoá học (COD:Chemical Oxygen Demand) [1] COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hoá hoá học các chất hữu cơ có trong nước thành CO2 và H2O. COD là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước vì nó cho biết hàm lượng chất hữu cơ có trong nước. Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể oxi hoá bằng vi sinh vật, do đó giá trị COD bao giờ cao hơn giá trị BOD. Ngoài BOD và COD, người ta thường dùng một số chỉ số khác để đo hàm lượng các chất hữu cơ trong nước như: tổng cacbon hữu cơ (TOC- Total Organic Cacbon) và nhu cầu theo lý thuyết (ThOD: Theoretical Oxygen Demand) . TOC chỉ dùng được khi hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải tạo thành CO2 + H2O, nhưng đại lượng này chỉ tính được khi biết công thức hóa học của các chất hữu cơ, mà các chất hữu cơ có trong nước rất phức tạp nên không thể tính được nhu cầu oxy theo lý thuyết nhưng chắc chắn là: ThOD > COD > BODcuối > BOD5. Bảng1. Tiêu chuẩn chất lượng nước mặt – TCVN 5942 –1995 [5] STT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn A B 1 pH 6 – 8,5 5,5 – 9 2 BOD5 mg/l > 4 < 25 3 COD mg/l ≥10 ≥ 35 4 Oxi hoà tan mg/l ≥ 6 ≥ 2 5 Chất rắn lơ lửng mg/l 20 80 6 Asen mg/l 0,05 0,1 7 Bari mg/l 1 4 8 Cađimi mg/l 0,01 0,02 9 Chì mg/l 0,05 0,1 10 Crom (VI) mg/l 0,05 0,05 11 Crom (III) mg/l 0,1 1 12 Đồng mg/l 0,1 1 13 Kẽm mg/l 1 2 14 Mangan mg/l 0,1 0,8 15 Niken mg/l 0,1 1 16 Sắt mg/l 1 2 17 Thuỷ ngân mg/l 0,001 0,002 18 Thiếc mg/l 1 2 19 Amoni (tính theo N ) mg/l 0,05 1 20 Florua mg/l 1 1,5 21 Nitrat (tính theo N) mg/l 10 15 22 Nitrit (tính theo N) mg/l 0,01 0,05 23 Xianua mg/l 0,01 0,05 24 Phenol (Tổng số) mg/l 0,001 0,02 25 Dầu, mỡ mg/l Không 0,3 26 Chất tẩy rửa mg/l 0,5 0,5 27 Tổng hoá chất bảo vệ thực vật (trừ DDT) mg/l 0,15 0,15 28 DDT mg/l 0,01 0,01 29 Coliform MPN/100ml 5000 10000 30 Tổng hoạt độ phóng xạ Bq / l 0,1 0,1 31 Tổng hoạt độ phóng xạ Bq /l 10 1,0 Chú thích: – Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua quá trình xử lí theo quy định). – Cột B áp dụng đối với nước mặt dùng cho các mục đính khác. Nước dùng cho nông nghiệp và nuôi trồng thuỷ sản có quy định riêng. 1.2. Các phương pháp cơ-lý-hóa xử lý nước thải 1.2.1. Phương pháp lắng và đông tụ [3] Nước thải được đưa vào bể chứa lắng các chất rắn. Thông thường các chất lơ lửng lắng rất chậm hoặc khó lắng. Để tăng vận tốc lắng các chất này người ta dùng một số hóa chất sau làm tác nhân kết lắng. Phèn Al2(SO4)3. n H2O ( n = 13 -18); Sô đa kết hợp với phèn: Na2CO3 + Al2(SO4)3 ; Sắt sunfát FeSO4.7H2O; Nước vôi Ca(OH)2; Natri aluminat Na2Al2O4; Sắt (III) clorua và sắt (III) sunfat; Dùng phèn thì phản ứng tạo photphat kết lắng như sau: Al2(SO4) + 2 PO43- đ 2 AlPO4 + 3 SO42- pH tối ưu 5,6-8 Dùng vôi loại bicacbonat, cacbonat photphat và magie theo các phản ứng sau: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 đ 2 CaCO3 + 2 H2O Ca(OH)2 + H2CO3 đ CaCO3 + H2O Dùng sắt (III) clorua để tạo phôtphat FeCl3 +6H2O +PO43- đ FePO4 +3 Cl - + 6H2O Dùng natri aluminat để loại photphat Na2Al2O4 +2 PO43- +4 H2O đ 2AlPO4 + 2NaOH + 6OH- Những chất kết lắng thành bùn và trong bùn chứa nhiều hợp chất khó tan. Việc sử dụng bùn này làm phân bón có thể làm cho cây trồng khó tiêu hóa. 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3] Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là các chất ô nhiễm tan trong nước có thể được hấp phụ trên bề mặt một số chất rắn ( chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường dùng trong mục đích này là than hoạt tính dạng hạt hoặc dạng bột, than bùn sấy khô hoặc có thể là đất sét hoạt tính diatomit, betomit. Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị hấp phụ. Lượng chất hấp phụ sử dụng tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có ở trong nước. Phương pháp này có tác dụng tốt có thể hấp phụ được 85-95% các chất hữu cơ và màu. Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ. 1.2.3. Phương pháp trung hòa [3] Nước có độ axit cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm như với vôi, đá vôi đolomit hoặc dùng nước vôi trung hoà trực tiếp. Cũng có khi dùng dung dịch kiềm (NaOH hoặc Na2CO3 ) vào mục đích này. Nước thải có độ axít cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm như với vôi, đá vôi đolomit hoặc dùng nước vôi trung hòa trực tiếp. Cũng có khi dùng dung dịch kiềm ( NaOH hoặc Na2CO3 ) vào mục đích này. Nước thải có tính kiềm dùng axít kỹ thuật pha loãng để trung hòa. Trước khi trung hòa cần chuẩn bị và tính toán sao cho sau khi trung hòa được độ pH của nước mong muốn với lượng hóa chất vừa đủ. 1.2.4. Phương pháp dùng chất sát khuẩn [3] Nước thải sau khi xử lý bằng các biện pháp cần thiết trước khi đưa vào sông hồ hoặc các nguồn nước khác, cũng như quay lại để cấp nước sinh hoạt phải cần sát khuẩn. Chất sát khuẩn cần dùng và không gây độc hại là khí clo (Cl2). Việc clo hóa nhằm mục đích diệt các vi sinh vật tảo và làm giảm mùi của nước. Các hợp chất clo dùng ở đây là clo lỏng được chứa trong các bình thép (bom clo) vôi clorua có độ hoạt động của clo là 25 - 35% các hypoclorit NaOCl, Ca(OCl)2 vừa có hoạt tính của clo vừa có hoạt tính oxy hóa nên có thể phân hủy nhiều chất độc hữu cơ thành chất không độc. 1.2.5. Các bể chứa và lắng [3] Các bể này có thể là bể bê tông hoặc ao hồ được gia cố nền móng sao cho nước thải ít ngấm vào các tầng đất sâu. Nước thải vào các bể này và được lưu lại trong thời gian 2 - 10h . Thực tế đây là sự mô phỏng quá trình lắng đọng tự nhiên của nước trong các thủy vực. Sau thời gian 3 h thì hầu hết các chất rắn dễ lắng và 30 - 40% những chất rắn ở dạng lơ lửng huyền phù được lắng xuống đáy bể. Phần nước ở trên được đưa vào các qúa trình xử lý tích cực với các phương pháp lên men, hiếu khí, thiếu khí hoặc kị khí tùy tiện. Các phần lắng cắn tùy từng công đoạn có thể làm phân bón cho cây trồng hoặc đem thiêu hủy. 1.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 1.3.1. Nguyên lý chung [4] Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong qúa trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là qúa trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện qúa trình oxy hoá sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Theo quan điểm hiện đại nhất, qúa trình xử lý nước thải hay nói đúng hơn là việc thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp phụ các chất bẩn đó là một qúa trình gồm ba giai đoạn: Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào. Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và qúa trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và qúa trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong qúa trình xử lý nước thải. Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sơ khác nhau. Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau: xử lý sinh học hiếu khí và xử lý sinh học yếm khí 1.3.2. Phương pháp hiếu khí [2,4 ] Đây là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 đến 40 0C. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng hợp của quá trình oxy hoá sinh hóa ở điều kiện hiếu khí như sau: CxHy Oz N +(x+y/4- z/2 - 3/4) O2 vi sinh vật x CO2 + (y-3) /2 H2O + NH3 + DH (1) CxHy Oz N + NH3 + O2 vi sinh vật C5H7 NO2 + CO2 + DH (2) Trong phản ứng trên, CxHy Oz N là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật, DH là năng lượng. Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phải ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào. Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì không đủ chất dinh dưỗng, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào xảy ra theo giai đoạn sau: C5H7 NO2 + 5 O2 vi sinh vật 5 CO2 + NH3 + 2 H2O + DH NH3 + O2 vi sinh vật HNO2 + O2 vi sinh vật HNO3 Tổng lượng oxy tiêu tốn cho bốn phản ứng trên gần gấp hai lần lượng oxy tiêu tốn của hai phản ứng đầu. Từ các phản ứng trên thấy rõ sự chuyển hoá hoá học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ hiếu khí: pH: Đây là yếu tố có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình xử lý. Khoảng pH tối ưu cho quá trình xử lý thường là nằm gần vùng trung tính. Lượng oxy cung cấp cho quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào sự khuấy trộn, sục khí,...Lượng oxy cung cấp càng nhiều thì càng làm tăng tốc độ quá trình xử lý. Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa tăng. Trong thực tế nhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng 20oC đến 30oC. Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng vi khuẩn sẽ bị chết, còn ở nhiệt độ thấp thì tốc độ xử lý sẽ giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường mới sẽ bị chậm lại. Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng: Để có phản ứng sinh hóa nước thải cần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng. Đó là các nguyên tố N, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, ...Trong đó N, K, P là các nguyên tố chủ yếu. 1.3.3. Phương pháp yếm khí 1.3.3.1. Nguyên lý chung [2,3,4] Đây là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí. (CHO)nNS + O2 đ CO2 + H2O + sinh khối vi sinh + sản phẩm chính + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + năng lượng. ở điều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật được tạo thành ít, ngoài các chất trung gian tới (70%) có một sản được quan tâm nhiều là metan. Vì người ta cũng dựa vào qui trình này để thu metan và quá trình này còn được gọi là lên men metan. Các phương pháp yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD = 4 á 5 g/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan...Những sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4 . Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan. Đó là quá trình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn. Cơ chế của quá trình này chưa được biết đến một cách chính xác và đầy đủ. Nhưng người ta giải thích quá trình lên men khí metan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm ( hay pha metan). Trong pha axit. Các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện và vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton đihydrosunfua, CO2, H2. Các vi khuẩn kị khí thường là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tử phân huỷ polysacarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO2. Có tới 30% số chủng loại đã phân lập có khả năng tạo thành hydro. Thành phần loài phụ thuộc vào sự thay đổi của môi trường. Khi có mặt xenlulo, các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B. megateruim, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Ps. reptilovora, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris. Các vi khuẩn này đã được phân lập từ bể tiêu hoá kị khí sinh metan. Phế liệu giàu tinh bột tạo điều kiện cho Micrococcus candidus, M varians, M. urea, Bacillus cereus, B. megaterium và Pseudomonas spp sinh trưởng và phát triển. Phế liệu giàu protein thích hợp cho quần thể vi khuẩn sau đây: Clostridium, Bacillus cereus, B. circulans B. sphaericus, B. subtilis, Micrococcus varians, Escherichia coli, Baracolo beterium intermedium, Pseudomonas coliforme và Pseudomonas spp. Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng của Micrococcus, Bacillus, Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas tại các bể tiêu hoá kị khí. Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium. Chúng có khá nhiều trong nước thải chứa protein. Các loài thuộc giống này kị khí, phân huỷ rất mạnh protein và chia thành 3 nhóm: Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột, sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic. Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axit izovaleric và axit axetic. Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, không phân huỷ đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hoá các axit amin. Bảng2. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (toC) Sản phẩm Bacillus cereus 5.2 25 - 35 Axetic, lactic Bacillus knolfekampi 5.2 - 8.0 25 - 35 Axetic, lactic Bacillus megaterium 5.2 - 7.5 28 - 35 Axetic, lactic Bacteroides succinigenes 5.2 - 7.5 25 - 35 Axetic, sucxicnic Clostridium carnefectium 5.0 - 8.5 25 - 37 Formic, axetic Clostridium cellobinharus 5.0 - 8.5 36 - 38 Lactic, etanol, CO2 Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 -51 Formic, axeitc Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Lactic, sucxinic Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Formic, axetic Clostridium thermocellulaseum 5.0 - 8.5 55 - 65 Lactic, sucxinic, etanol Pseudomonas 2 3 - 42 Lactic, axetic, lactic, sucxinic, etanol Ruminococcus sp 2 33 - 48 Formic, axetic, sucxinic Trong pha kiềm. Các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí chuyển hoá các sản phẩm trung gian trên tạo thành CO2 và CH4 . Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển rất chậm. Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo hình thái và khả năng bào tử: Methanobacterium hình que, không sinh bào tử . Methanobacillus hình que, sinh bào tử . Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi. Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối. Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn. Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính gram âm, không di động, đa số sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt. Chúng có thể sử dụng NH3 làm nguồn nitơ. Chúng phát triển rất chậm. Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới phát triển thành những dạng hoạt động. Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất bị ức chế bởi sự có mặt của các kim loại có trong môi trường. Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như các axit focmic, butiric, propionic, axetic, rượu metanol, etanol, khí H2, CO2, CO. Để các vi khuẩn metan phát triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO2 và các chất chứa nitơ. Nếu trường hợp môi trường lên men thiếu thì phải bổ sung. Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amon cacbonat và amon clorua. Đặc biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin. Để quá trình lên men tiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỉ lệ sau: C/N là 20:1. Bảng 3. Một số vi khuẩn sinh metan Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (0C) Axit bị chuyển hoá Methanobacterium omelianskii 6,5 - 8 37 - 40 CO2, H2, rượu I và II Methanopropionicum Axit propionic Methanoformicum H2, CO2, formic axit Methanosochngenii Axit axetic Methanosuboxydans Axit butyric, axit valeric, caprionic Methanoruminanticum H2, axit formic Methanococcus vanirielii 1,4 - 9,0 Axit formic và H2 Methanococcuss mazei 30 - 37 Axit axetic, axit butyric Methanosarcina methanica 35 -37 Axit axetic, butyric Methanosarcina barkerli 7,0 30 CO2, H2, axit axetic, metanol Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hóa khử xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên sự sắp xếp các phản ứng khi không có sự tham gia của oxy nêu trên chỉ mang tính quy ước. Nhu cầu oxy sinh học của toàn bộ quá trình gần như bằng không. Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra như sau: CO2 + 4 H2A đ CH4 + 4 A + 2 H2O trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro. Cũng có thể xảy ra các phản ứng khác (khi có và khi không có hydro ): CO + 3 H2 đ CH4 + H2O 4 CO + 2 H2O đ 3 CO2 + CH4 Metan có thể được tạo thành do phân rã axit axetic: CH3COOH đ CH4 + CO2 CO2 + H2 đ CH4 + 2 H2O Trong qúa trình xử lý nước thải công nghiệp chứa SO42-, ở điều kiện yếm khí , vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S như sau: 5 H2A + SO42- đ 5 A + H2S + 4 H2O Ngoài ra còn có cả quá trình đề nitrat hoá: 6 H2A + 2 NO3- đ 6 A + H2O + N2 Tóm lại quá trình lên men metan gồm ba giai đoạn: Giai đoạn lỏng hoá nguyên liệu đầu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinh dưỡng. Giai đoạn tạo thành axit: H2A đ các axit hữu cơ (CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH) Giai đoạn tạo thành mêtan: Các axit hữu cơ đ CH4 + CO2 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí mêtan: Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 350C. Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30 á 350C) hoặc nóng (50 á 550C). Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầu như không hoạt động. Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn 7 á 9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng khi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn. Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là (25 á 30). pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến7,5. Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi, nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo CH4. Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoá chất độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...), hàm lượng NH3 và sunfua quá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác. 1.3.3.2. Vai trò của dị dưỡng trong qúa trình xử lý yếm khí [5] Các sinh vật mà sử dụng cacbon từ các hợp chất hữu cơ cho sự sinh trưởng được gọi là dị dưỡng. Dị dưỡng là nguyên nhân làm giảm các chất thải. Bằng việc tiêu hoá yếm khí này, các vi sinh vật yếm khí đã xử lý bùn từ quá trình xử lý nước thải công nghiệp và nước thải thành phố kể cả trường hợp nước thải công nghiệp có nồng độ đậm đặc. Các sinh vật thuộc nhóm này bao gồm các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc hoặc vi sinh vật kỵ khí không bắt buộc. Mật độ của dị dưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật kị khí có thể là 109 á 1010 tế bào / ml. Trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí hỗn hợp các đại phân tử hữu cơ bao gồm sinh khối vi sinh vật, được khử trùng hợp (sự phân ly các hợp chất phân tử thành các phân tử nhỏ) sau đó là các quá trình trao đổi chính tạo thành các axit béo, CO2 và khí H2. Khí H2 ngay sau đó có thể được sử dụng để tạo ra CH4. Trong xử lý chất thải bằng yếm khí , một số lượng lớn các sinh vật khác tham gia trong quá trình này, bao gồm các sinh vật hydrolyzing, các vi sinh vật tạo axit, các vi sinh vật tạo khí metan. Metan được tạo ra bằng cách khử trực tiếp các nhóm metyl hoặc bằng cách khử CO2 thành CH4, khí H2 được sử dụng như là tác nhân khử. Vài vi khuẩn dị dưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí là : Sinh vật Vai trò Clostridium Mạng tế bào, protêin và làm giảm axit nucleic Bacteroides Mạng tế bào, protêin và làm giảm tinh bột Ruminococcus Làm giảm mạng tế bào Bacillus Làm giảm mạng tế bào Succinimonas Làm giảm tinh bột Streptococcus Làm giảm tinh bột Anaerovibrio Làm giảm chất béo Succinovibrio Lên men gluco Eubacterium Lên men gluco Lactobacillus Lên men gluco Veillonella Làm giảm sự tiết ra sữa Methanobacterium Sản xuất metan Methanobrevibacter Sản xuất metan Methanococcus Sản xuất metan Methanosarcina Sản xuất metan 1.3.3.3. Vai trò của tự dưỡng trong quá trình xử lý nước thải [5] Vi khuẩn tự dưỡng đóng vai trò quan trọng trong sự tuần hoàn các nguyên tố trong môi trường tự nhiên và trong các quá trình xử lý nước thải. Các sinh vật này nhận cacbon từ cacbondioxit và do vậy nó không trực tiếp đóng góp trực tiếp đến nhu cầu oxi sinh hoá (BOD). Chúng nhận năng lượng từ sự oxi hóa các hợp chất vô cơ có mặt trong chất thải hoặc lấy từ việc phá huỷ các chất dinh dưỡng bằng dị dưỡng. Ví dụ, các chất nền cho sự tự dưỡng bao gồm: NH3, NO2-, H2S, S và khí H2. Hầu hết sự dị dưỡng hoá học là vi khuẩn ưa khí bắt buộc, tất cả các vi khuẩn quang tự dưỡng (ngoại trừ cyanobacteria ) là các vi khuẩn yếm khí. Các nhóm vi khuẩn dị dưỡng hoá học lớn và nguồn năng lượng của chúng là: Nhóm Loại Oxi hoá chất nền và sản phẩm được tạo ra Vi khuẩn nitriyfing Nitrosomonas NH3 đ NO2- Nitrobacter NO2- đ NO3- Vi khuẩn S Thiobacillus S2-đ SO42- Beggiatoa Thiothrix Vi khuẩn Fe Sphaerotilus fero đ ferit Leptothrix fero đ ferit Crenothrix fero đ ferit Gallionella fero đ ferit 1.3.3.4. Các chu trình trong xử lý yếm khí [5] Trong môi trường trung tính và trong các quá trình xử lý nước thải, các vi sinh vật không có chức năng trong sự cô lập nhưng nó sẽ có tác động lẫn nhau để tiến hành vận chuyển nước. Một số vi sinh vật tiến hành bẻ gẫy các phân tử lớn (như mạng tế bào của thực vật và các protein) ở đó có sự làm giảm các sản phẩm khác của hoạt động trao đổi chất của chúng (như gluco và aminoaxit ). Vài vi sinh vật phải làm việc cùng với nhau để làm giảm chất đơn giản. Do đó, để có kết qủa xử lý cao cần phải có sự tác động thích hợp của tự dưỡng và dị dưỡng. Tác động sinh học của nhiều vi khuẩn là có ý nghĩa nhất trong chu trình sinh học của các nguyên tố. Cáchợp chất hữu cơ CH2O Sinh trưởng và hô hấp của thực vật, động vật và vi sinh vật Quang tổng hợp của thực vật và tảo Sinh trưởng của tự dưỡng Cacbon dioxit CO2 Hiếu khí Hiếu khí Yếm khí Yếm khí Các hợp chất hữu cơ CH2O Sự lên men Sự hô hấp của vi sinh vật yếm khí Vi khuẩn ánh sáng Chu trình cacbon. Cacbon được quay vòng giữa CO2 và các chất hữu cơ được chỉ ra ở hình 1. Hình 1. Chu trình cacbon Các thực vật và các sinh vật quang tổng hợp có liên quan tới sự chuyển đổi tự dưỡng của CO2 không khí thành sinh khối. CO2 được quay vòng trở lại không khí bằng sự tự dưỡng nhờ sự hô hấp của vi khuẩn hiếu khí và lên men. Trong điều kiện hoạt động của các vi sinh vật yếm khí, các chất hữu cơ có thể không bao giờ bị oxi hoá hoàn toàn thành CO2. Tỷ lệ của chất nền ban đầu phải được sử dụng như là chất nhận electron cuối cùng, mà thông qua sự lên men sẽ tạo ra các hợp chất hữu cơ có phân tử lượng nhỏ như: axetat, lactat, etanol và metan. Chu trình nitơ. Những hoạt động của các sinh vật là thiết yếu trong sự duy trì hoạt của chu trình nitơ được chỉ ra ở hình 2 Đồng hoá cho sự phát triển Cố định nitỏ Vi khuẩn dị dưỡng Nitrat NO3- Nitơ không khí Denitơ hoá Vi khuẩn kị khí Nitơ hữu cơ Nitrobacter vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí Amoni NH3 /NH4 Nitrit NO2- Nitrosomonas Vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí Vi khuẩn dị dưỡng Sinh khối các hợp chất của nitơ Hình 2. Chu trình nitơ Amoni được giải phóng ra đầu tiên từ các hợp chất hữu cơ, như protein bằng dị dưỡng. Mặc dù vài amoni không thể kết lại bằng các sinh vật khi chúng tăng trưởng, phần còn lại được giải phóng vào môi trường. Dưới các điều kiện yếm khí , amoni không thể bị oxi hoá. Chỉ một lượng nhỏ có thể được chuyển đi bằng sự đồng hoá để phát triển các vi sinh vật. Dưới các điều kiện yếm khí, nitrat có thể được chuyển thành khí N2 bằng vi khuẩn dị dưỡng denitrat hoá. Điều này đòi hỏi sự có mặt của các hợp chất hữu cơ để sử dụng khi có nguồn năng lượng khử. Chu trình sunfua. Mặc dù đựợc đòi hỏi một lượng nhỏ nitơ nhưng lưu huỳnh là một chất dinh dưỡng cần thiết. Việc làm giảm chất thải thành phố bằng vi khuẩn dị dưỡng là kết quả của việc giải phóng ra sunfat. Chu trình sunfua được chỉ ra ở hình 3. Đồng hoá cho sự phát triển Các chất thải hữu cơ chứa S Sunfat SO42- Vi khuẩn dị dưỡng SO2, SO3 H2S Vi khuẩn yếm khí Nguyên tố S Oxi hoá vi khuẩn S tự dưỡng Oxi hoá vi khuẩn S tự dưỡng Khử vi khuẩn SO4- kị khí Oxi hóa vi khuẩn S tự dưỡng Vi khuẩn Phototrophic Vi khuẩn dị dưỡng Sinh khối các hợp chất sunfua hưu cơ Hình 3. Chu trình sunfua Dưới các điều kiện yếm khí, các hợp chất hữu cơ được oxi hóa và sunfat được khử H2S bằng Desulfovibrio. H2S không trao đổi chất dưới các điều kiện kị khí ngoại trừ vi khuẩn quang tự dưỡng mà sử dụng H2S như chất cho electron. 1.3.3.5. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí [4] 1.3.3.5.1. Lên men bùn cặn Phương pháp này được dùng để xử lý nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD = 4 á 5g/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ. Do bùn cặn của nước thải công nghiệp thường có hàm lượng ẩm, các muối kim loại và các chất khử bẩn cao nên cần phải tiến hành quá trình lên men ở tải lượng thấp hơn bình thường 25 á 50%. Quá trình tạo khí metan được tiến hành trong các bể lên men có nguyên lý cấu tạo như sau: Vùng chứa bùn Vùng phân hủy mạnh Gia nhiệt bùn Bùn đã phân hủy Nước ra Vùng nước Khí sản phẩm ra Két khí Bùn thô Hình 4. Bể phân huỷ metan Bùn thô nạp vào bể theo phương thức gián đoạn, vào vùng phân huỷ mạnh và nước phần trên được rút ra đi xử lý tiếp. Bùn đã phân huỷ tích tụ ở đáy bể có thể rút ra một cách dễ dàng. Sản phẩm khí của quá trình được tích giữ ở két khí là nắp nồi của bể. Thể tích bể tiêu huỷ yếm khí được tính theo tải lượng riêng, thời gian tiêu huỷ, sự giảm chất rắn và thời gian lưu trữ bùn. Các thông số này được liên hệ với nhau theo công thức sau: Trong đó : V : thể tích bể tiêu huỷ, m3; V1:lưu lượng bùn thô nạp vào bể, m3/ngày; V2 :lưu lương bùn lưu trữ trong bể, m3/ngày; T1: thời gian tiêu huỷ, ngày ; T1: thời gian bùn lưu trữ lại trong bể , ngày; Cũng có thể tiến hành quá trình theo hai giai đoạn, mỗi giai đoạn ở một thiết bị riêng biệt hình2. Giai đoạn một ứng với pha tạo axit còn giai đoạn hai tiến hành pha tạo khí metan. Bằng cách này cho phép tăng tốc độ quá trình và làm giảm thể tích thiết bị so với tiến hành quá trình theo một giai đoạn. 1.3.3.5.2. Hồ yếm khí. Nguyên tắc tạo nên điều kiện yếm khí và làm việc của hồ yếm khí được minh hoạ ở hình 5. Lớp đầu mỡ và các vật nổi Lớp nước trong với 0.1% chất rắn hữu cơ Bề mặt phân chia bùn nước Vùng bùn và các vi khuẩn yếm khí hoạt động mạnh với 3 – 4 % axit hữu cơ Dòng ra Dòng vào Hình 5. Hồ yếm khí ở đây các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối ở dạng khí là CO2 và CH4, thêm vào đó là hợp chất trung gian phát sinh mùi như các axit hữu cơ, H2S... Đặc tính của nước thải có thể xử lý bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cụ thể là protein, mỡ, có nhiệt độ tương đối cao, không chứa các chất độc và các chất dinh dưỡng. Các tiêu chuẩn vận hành đối với hồ yếm khí để có thể đạt được hiệu suất khử BOD bằng 75% là tải trọng BOD bằng 320g BOD /m3.ngày, thời gian lưu tối thiểu là 4 ngày, hồ làm việc ở nhiệt độ tối thiểu 250C. Vận hành thường gặp đối với loại hồ này là sự giảm nhiệt độ do mặt hồ không được lớp dầu mỡ phủ kín để cách nhiệt và tránh tác động khuấy trộn của nó. Nếu hồ yếm khí được vận hành đúng sẽ không phát sinh mùi làm ô nhiễm môi trường xung quanh. Hồ yếm khí đã được sử dụng thành công trong xử lý nước thải ở các lò mổ chế biến thịt, một loại nước thải có hàm lượng BOD đến 1400 mg/l, hàm lượng dầu mỡ đến 500 mg/l và pH trung tính. Chương 2.thực nghiệm 2.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu Kỹ thuật lấy mẫu và bảo quản mẫu nước thải có vai trò quyết định tới việc phân tích, nghiên cứu, đánh giá, khảo sát chất lượng nước. Vì vậy để kết quả phân tích có ý nghĩa chúng tôi tuân quy tắc lấy mẫu theo TCVN số 5993-1995 (tiêu chuẩn lấy mẫu và bảo quản mẫu của Việt Nam ). Cách lấy mẫu: do chỉ khảo sát sự biến thiên COD trước và sau xử lý nên đề tài chọn lấy mẫu ở một địa điểm nhất định. Địa điểm lấy mẫu: địa điểm lấy mẫu ở đây là ở sông Kim Ngưu gần cầu Mai Động. Dụng cụ lấy mẫu: Lấy mẫu bằng phương pháp thủ công với dụng cụ lấy mẫu là bình nhựa P.E có thể tích là 30l. Thời gian lấy mẫu:Mẫu được lấy vào thời điểm ít biến động nhất, vào 8 h sáng vào lúc trời không mưa. Bảo quản mẫu: Mẫu lấy xong được chuyển về phòng thí nghiệm, sau đó tiến hành đo các thông số cần thiết. 2.2. Các phương pháp phân tích 2.2.1. Phương pháp xác định COD Nguyên tắc Dùng K2Cr2O7 là chất oxi hoá mạnh để oxi hoá các hợp chất hữu cơ. Sau đó, chuẩn độ lượng K2Cr2O7 bằng dung dịch muối Morh với chỉ thị feroin. Để oxi hoá hoàn toàn các hợp chất hữu cơ mạch thẳng, các hydrocacbon thơm khó bị oxi hóa có mặt trong nước thải cần cho Ag2SO4 làm xúc tác, 80-90% các chất trên sẽ được oxi hoá. Phản ứng oxi hóa : Chất hữu cơ + Cr2O7 2-+ H+ đ 2Cr3+ + H2O + CO2 Phản ứng được tiến hành ở 80-900C với xúc tác là bạc sunfat Ag2SO4 trong thời gian tối thiểu là hai giờ. Hầu hết các chất hữu cơ bị oxi hoá bởi hỗn hợp sôi của K2Cr2O7 và H2SO4. Nước thải chứa ion Cl- và các hợp chất khác của Clo cần sử dụng HgSO4 để loại phản ứng oxi hoá giữa K2Cr2O7 và Cl- làm ảnh hướng tới phép phân tích. Hoá chất và dụng cụ Microburet, pipet, bình định mức, ống đong. Bình tam giác, bình cầu cổ nhám. Sinh hàn hồi lưu. Bếp điện. Dung dịch K2Cr2O7 .025N: cân chính xác 12.259 g K2Cr2O7 tạo tính khiết (PA) hoà tan và định mức 1l bắng nước cất. Mỗi lần dùng muối Morh phải xác định lại nồng độ bằng cách: lấy 5 ml K2Cr2O7 0.25N, thêm nước cất đến 100 ml, thêm 5 ml H2SO4 đặc đã hoà tan khoảng 0.1g Ag2SO4, thêm 2 giọt chỉ thị feroin, chuẩn bằng dung dịch muối Morh cho đến khi dung dịch chuyển từ mầu xanh sang màu đỏ nâu. Nồng độ muối Morh được xác định theo công thức: Chỉ thị feroin: hoà tan 1.48 g 1.10 octophenanthrolinmonohydrat với 0.695 g FeSO4.7H2O trong nước cất hai lần. Định mức 100 ml. Các chất xúc tác: H2SO4 đặc. Hg2SO4 tinh thể. HgSO4 tinh thể. Đá bọt: để dung dịch sôi đều . Cách tiến hành thí nghiệm và tính toán COD Cách tiến hành thí nghiệm: Lấy 5 ml nước thải cho vào bình cầu 3 cổ, thêm 5 ml K2Cr2O7, cho vào vài viên đá bọt, lắc đều. Lắp vào sinh hàn. Cho vài hạt AgSO4 hòa tan vào 10 ml H2SO4 đặc, cho vào bình cấu lắc đều. Đun sôi nhẹ trong khoảng 15 phút tính từ lúc sôi. Sau đó để nguội, tráng sinh hàn và bình cầu đổ vào bình nón. Chuẩn lượng K2Cr2O7 dư bằng dung dịch muối Morh 0.25N với 2-3 giọt chỉ thị feroin cho đến khi dung dịch có màu đỏ nâu. Ghi lại lượng muối Morh tiêu tốn. Cách tính toán: Trong đó V1: lượng K2Cr2O7 lấy ban đầu, ml Vmorh :thể tích Morh dùng để chuẩn độ, ml Vmẫu: thể tích của mẫu phân tích, ml N1: nồng độ của K2Cr2O7, g/l N2: nồng độ của muối Morh, g/l 8000: mili đương lượng oxi ´ 1000 ml/L 2.2.2. Phương pháp xác định NO3- Nguyên tắc Ion NO3- tác dụng với phenon disunfonic tạo thành axit nitrophenoldisunfonic. Axit này khi phản ứng với NO3- cho phức màu vàng. Cường độ màu tỉ lệ với hàm lượng NO3- có trong dung dịch. Đo quang ở l =410 nm. Hoá chất và dụng cụ Cốc chịu nhiệt, ống nghiệm Bếp điện Axit phenoldisunfonic NH4OH 25% Xác định đường chuẩn Pha 1mg/l dung dịch NO3- từ dung dịch gốc 100 mg/l bằng cách pha loãng dung dịch gốc 100 lần. Chuẩn bị 5 ống nghiệm khô cho vào ống NO3- và H2O theo tỉ lệ sau: NO3-(ml) 0 1 2 3 4 5 H2O (ml) 5 4 3 2 1 0 Nồng độ 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thêm vào các ống trên 0.5ml axitphenoldisunfonic, lắc đều thêm 10ml nước cất lắc đều, thêm 5ml NH4OH 25% lắc đều, để yên 10 phút sau đó đem đo quang ở bước sóng l = 410 nm ta xây dựng được đường chuẩn như sau: y = 0.08x + 0.0993 Cách tiến hành thí nghiệm và xác định NO3- Cách tiến hành: Lấy 5ml mẫu cho vào cốc chịu nhiệt đun cạn trên lưới amiang. Thêm 0.5ml axitphenoldisunfonic, lắc đều, thêm 10ml nước cất lắc đều, thêm 5ml NH4OH 25% lắc đều. Định mức thành 25ml, để 10 phút đem đo quang ở 410 nm ta xác định được nồng độ của NO3-. Cách tính toán : 2.2.3. Phương pháp xác định NH4+ Nguyên tắc NH4 trong môi trường kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4), tạo phức màu vàng hay mầu nâu sẫm tuỳ thuôc vào hàm lượng amoni có trong mẫu nước. Sau đó, đo quang ở l = 420 nm. Hoá chất và dụng cụ ống nghiệm khô Xinhet, Nessler Xác định đường chuẩn Pha dung dịch Xinhet: cân 50 Kali natritactrat KNaC4H12O6 trong 100 ml nước cất. Pha dung dịch Nessler: Nessler A:K2HgI4 36g KI trong 100 ml H2O cất. Hòa tan 13.55g HgCl2 /1l nước. S NesslerA:1100 ml. Nessler B: 56 g NaOH hoặc 57.5 g KOH trong 30 ml. Dung dịch Nessler 100ml A+ 30 ml B. Hoặc 2KI + HgI2 đ K2HgI4. Pha 3.32g KI +4.55 g HgI2 trong 200ml nước cất ta được dung dịch Nessler. Xác định đường chuẩn Pha 1mg/l dung dịch NH4+ từ dung dịch gốc 100mg/l bằng cách pha loãng dung dịch gốc 100 lần. Chuẩn bị 5 ống nghiệm khô cho vào đó NH4+ và theo tỉ lệ sau: NH4+(ml) 0 1 2 3 4 5 H2O (ml) 5 4 3 2 1 0 Nồng độ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tiến hành đo ống nghiệm trên ở bước sóng 420 nm ta xây dựng được đường chuẩn sau: Đường chuẩn : y = 0.0275 + 0.0059 Cách tiến hành thí nghiệm và tính toán NH4+ Cách tiến hành thí nghiệm: Lấy 5 ml mẫu vào ống nghiệm khô thêm 0.2 ml xinhet, 0.3 Nessler. Lắc đều nếu mẫu tạo thành dung dịch đồng nhất màu vàng là đựơc. Nếu mẫu màu thẫm thì phải tiến hành pha loãng. Tiến hành đo mẫu ở bước sóng 420 nm. Dùng mẫu trắng để so sánh: Cho vào ống nghiệm 5 ml H2O cất, thêm 0.2 ml xinhet, 0.3 ml Nessler. Cách tính toán: Hàm lượng: 2.2.4. Phương pháp xác định NO2- Nguyên tắc Phương pháp này dựa trên phản ứng của NO2- với thuốc thử Griess – Hooway cho một hợp chất màu hồng. Hoá chất và dụng cụ Thuốc thử GissA: cân 0.5 g axit Sunfanilic vào 150 ml dung dịch axit axetic loãng 10%, đun nhỏ lửa cho tan. Thuốc thử GissB: cân 0.1 g naphtylamin cho vào 200 ml nước cất. Đun cách thuỷ 15 phút, sau đó chắt lấy nước trong cho vào 150 ml dung dịch axit axetic 10%. ống nghiệm khô. Xác định đường chuẩn Pha 1 mg/l dung dịch NO2- từ dung dịch gốc 100 mg/l bằng cách pha loãng 100 lần. Chuẩn bị 5 ống nghiệm khô cho vào đó NO2- và H2O theo tỉ lệ sau : NO2 0 1 2 3 4 5 H2O 5 4 3 2 1 0 Nồng độ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tiến hành đo 5 ống nghiệm trên ở bước sóng l = 543 nm ta xây dựng được đường chuẩn sau: y= 0.0711x + 0.0242. Cách tính toán và xác định NO2- Cách tiến hành thí nghiệm.: Cho 5 ml mẫuvào ống nghiệm khô, thêm vào đó 0.5ml GissA, 0.5 ml GissbB. Lắc đều, để yên trong 5 phút để xuất hiện màu xanh. Đo quang ở 543 nm. Dùng mẫu trắng để so sánh: cho 5 ml nước cất vào ốn g nghiệm khô thêm vào đó 0.5 ml GissA và 0.5 ml GissB, lắc đều đem đo quang ở 543 nm. Cách tính toán Hàm lượng 2.4. Thiết bị và vận hành 2.4.1.Thiết bị Nước ra Nước vào Bơm tuần hoàn bùn Hình6. Sơ đồ thiết bị Thiết bị được làm từ hai ống nhựa có đường kính 45 cm, chiều cao 1 m. Thể tích của 1 ống nhựa là: V1 = p*h*R2 Thể tích của hai ống nhựa là: V=2*V1=2*3,14*100*(45)2/ 4*3,142=32(l) Thể tích của thiết bị là:32 (l) 2.4.2. Cách vận hành Nước thải sau khi lấy về được để cho lắng nhằm loại bỏ rác. Nước thải được bơm vào thùng chứa và sau đó cho chảy vào hệ thống. Nước thải chảy qua ống 1 và chảy sang ống 2, tại đây nước trong được tháo ra ngoài. Chương 3. kết quả và thảo luận 3.1. Xử lý yếm khí sau 1 ngày Bảng 4: Kết quả phân tích COD của các mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu 1 ngày: Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) % đã xử lý 23/2 99 61 38,38 24/2 197 107 45,69 25/2 128 87 32,03 26/2 214 102 52,23 27/2 142 103 27,46 1/3 123 98 20,03 2/3 114 83 27,19 3/3 124 90 27,74 4/3 180 80 55,56 5/3 169 93 44,97 Trung bình 149 90,4 39,32 Nhận xét: Với thời gian lưu 1 ngày % COD giảm nhưng ở những mức độ khác nhau do hàm lượng BOD ở trong nước thải khác nhau. Nước sau xử lý trong hơn so với lúc chưa xử lý. 3.2. Xử lý yếm khí sau hai ngày Bảng 5:Kết quả phân tích COD của các mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu 2 ngày: Mẫu ngày CODv (mg/l) COD (mg/l) % đã xử lý NH4+v (mg/l) NH4+r (mg/l) NO2-v (mg/l) NO2-r (mg/l) 8/3 205 131 63.91 10/3 187 79 57,75 11,31 5,79 0,26 0,13 15/3 186 95 48,92 3,81 4,71 0,21 0,12 17/3 145 83 42,75 5,21 6,17 0,03 0,05 19/3 154 105 38,81 4,81 5,56 1,93 0,11 Trung bình 175,4 98,8 43,67 6,29 5,56 0,61 0,41 Nhận xét: Với thời gian lưu 2 ngày Sau hai ngày xử lý % COD đã xử lý có giảm hơn so với một ngày. Hàm lượng NH4+ biến đổi không nhiều, sau thời gian lưu hai ngày lượng NH4+ giảm đó là do 1 lượng nhỏ NH4+ được các vi dinh vật sử dụng để phát triển. Sau 2 ngày lượng NO3- giảm xuống là do quá trình denitơ hóa. 3.3. Xử lý yếm khí sau ba ngày Bảng 6. Kết quả phân tích COD của các mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu 3 ngày: Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) % đã xử lý NH4+v (mg/l) NH4+r(mg/l) NO2-v (mg/l) NO2-r (mg/l) NO3-v (mg/l) NO3-r (mg/l) 22/2 170 60 64,7 19/3 156 102 34.62 5.91 4.97 0.11 0.19 0.09 0.16 22/3 199 90 54.77 5.03 5.03 0.31 0.04 0.11 0.06 27/3 215 137 36.27 5.93 4.81 0.30 0.05 0.15 Hết 30/3 147 64 59.49 4.5 3.88 0.13 0.39 0.07 Hết 1/4 85 53 37.64 4.19 5.05 11.30 0.07 0.27 Hết Trung bình 162. 84 47.99 5.11 4.78 2.43 0.15 0.14 0.04 Nhận xét: Với thời gian lưu 3 ngày Nước ra trong hơn so với đầu vào là độ đục giảm. % COD đã xử lý sau ba ngày là cao nhất. Sau ba ngày đã làm giảm triệt để được hàm lượng NO3-. 3.4. Xử lý yếm khí sau bốn ngày Bảng7. Kết quả phân tích COD của mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu là bốn ngày: Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) NH4+v (mg/l) NH4+r(mg/l) NO2-v (mg/l) NO2-r (mg/l) NO3-v (mg/l) NO3-r (mg/l) 12/4 129 88 3,71 4,76 0,23 0,14 0,11 0,03 12/4 129 96 3,71 4,12 0,23 0,19 0,11 0,05 12/4 129 106 3,71 3,48 0,23 0,16 0,11 0,24 12/4 129 95 3,71 5,20 0,23 0,25 0,11 0 17/5 148 95 63,29 28,44 0,11 0,65 0,05 0,01 17/5 148 115 63,29 30,77 0,11 0,69 0,05 0,02 17/5 148 82 63,29 19,79 0,11 0,76 0,05 0,03 17/5 148 64 63,29 25,46 0,11 0,47 0,05 0,020 Trung bình 138,5 92,63 33,5 15,25 0,17 0,41 0,08 0,05 Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) 12/4 129 95 17/5 148 95 Trung bình 138,5 92,63 3.5. Xử lý yếm khí sau năm ngày Bảng 8. Kết quả phân tích COD của mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu là năm ngày: Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) NH4+v (mg/l) NH4+r(mg/l) NO2-v (mg/l) NO2-r (mg/l) NO3-v (mg/l) NO3-r (mg/l) 12/4 129 88 3,71 4,76 0,23 0,14 0,11 0,03 12/4 129 96 3,71 4,12 0,23 0,19 0,11 0,05 12/4 129 106 3,71 3,48 0,23 0,16 0,11 0,24 12/4 129 95 3,71 5,20 0,23 0,25 0,11 0 12/4 129 95 3,71 - 0,23 0,15 0,11 0 17/5 148 95 63,29 28,44 0,11 0,65 0,05 0,01 17/5 148 115 63,29 30,77 0,11 0,69 0,05 0,02 17/5 148 82 63,29 19,79 0,11 0,76 0,05 0,03 17/5 148 64 63,29 25,46 0,11 0,47 0,05 0,02 17/5 148 64 63.29 14.71 0.11 0.06 0.05 0.02 Trung bình 138,5 90 33,5 15,19 0,17 0,35 0,08 0,02 Nhận xét: Với thời gian lưu 5 ngày % COD giảm nhưng vào 2 cuối thì giữ ổn định không giảm nữa. NO2- giảm do quá trình anoxic (khử nitrat) : NH4+ + NO2- = N2 + H2O 3.5. Xử lý yếm khí sau năm ngày không qua hệ thống bằng cách cho vào lọ đậy nút kín. Bảng 9 Kết quả phân tích COD của các mẫu nước sông Kim Ngưu sau 5 ngày không qua hệ thống. Mẫu ngày CODv (mg/l) CODr (mg/l) % đã xử lý 5/3 129 105 18,60 10/3 187 104 4438 22/3 199 143 28,14 30/3 147 106 27,89 1/4 85 49 4235 Trung bình 149,4 101,4 32,13 Hình 13. Kết quả phân tích COD trước và sau 5 ngày không qua hệ thống Nhận xét: Thử nghiệm để nước thải yếm khí sau 5 ngày không qua hệ thống thiết bị yếm khí. Khi khống qua hệ thống, % COD giảm không đáng kể thấp hơn so với 1 ngày khi không qua hệ thống yếm khí. Do vậy nếu ta dùng hệ thống thiết bị yếm khí thì sẽ cho kết quả xử lý cao hơn. 3.6.Kết quả xử lý yếm khí trung bình sau từng ngày. Bẳng 10. Kết quả phân tích các chỉ tiêu của mẫu nước sông Kim Ngưu sau xử lý yếm khí với thời gian lưu khác nhau. Mẫu ngày % COD đã xử lý NH4+v (mg/l) NH4+r (mg/l) NO2-v (mg/l) NO2-r (mg/l) NO3-v (mg/l) NO3-r (mg/l) 1 ngày 39,32 2 ngày 43,67 6,29 5,56 0,61 0,41 3 ngày 47,99 5,11 4,78 2,43 0,15 0,14 0,04 4 ngày 33,12 33,5 15,25 0,17 0,41 0,08 0,05 5 ngày 3501 33,5 15,19 0,17 0,35 0,08 0,02 Nhận xét chung: % COD giảm nhiều nhất với thời gian lưu là 3 ngày. Do trong nước thải có nhiều thành phần phức tạp nên ta cần tính giá trị trung bình sau từng ngày xử lý. NH4+ trong 1 ngày, 2 ngày, 3 ngày,5 ngày đều giảm 1 lượng nhỏ là do 1 phần NH4+ được các vi sinh vật sử dụng để phát triển. Chương 4: dự kiến qui trình công nghệ Căn cứ vào kết quả thực nghiệm khảo sát các chỉ tiêu trước và sau khi xử lý đối mô hình phòng thí nghiệm, chúng tôi đã đề nghị mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học yếm khí Bảo đảm thời gian lưu tối đa của nước trong hệ thống là 3 ngày kết quả sau xử lý đạt mức giảm COD là khoảng 48%. Giả thiét cho quy mô xử lý nước thải sinh hoạt có lưu lượng là 100 m3/ngày, với thời gian lưu tối ưu là 3 ngày thì bể phải có thể tích là: V= Q*t =100 m3/ngày*3 ngày = 100 m3 Bể có thể được chia làm hai ngăn với cấu tạo nhưu sau: Nước ra Nước vào Chương 5: kết luận Qua quá trình nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học yếm khí, chúng tôi rút ra một số kết quả sau: Xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học yếm khí cho hiệu xuất xử lý tương đối cao trong một vài ngày đầu, đạt tối đa là 3 ngày. Xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học yếm khí làm đã giảm thiểu chất cặn, nước sau xử lý trong hơn so với nước trước khi xử lý. Để xử lý triệt để cần đưa qua xử lý tiếp tục bằng phương pháp sinh học hiếu khí. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học yếm khí đơn giản, ít tốn kém và có nguồn khí sinh học tận dụng được. Tài liệu tham khảo Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội, Giáo trình Hoá học môi trường cơ sở, Khoa Hoá, ĐHKHTN, 1999. Lương Đức Phẩm, Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội, 2002. Hoàng Kim Cơ, Trần Hữu Uyển, Lương Đức Phẩm, Dương Đức Hồng, Kĩ thuật môi trường, Nhà xuất bản Khoa học - Kĩ thuật, 2000. Trần Văn Nhâm, Ngô Thị Nga, Giáo trình Công nghệ xử lý nước thải, Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội, 1999. Các tiêu chuẩn Nhà nước Việt Nam về môi trường, Nhà xuất bản Khoa học – Kĩ thuật, Hà Nội, 1995. Đặng Kim Chi, Hoá học môi trường, Nhà xuất bản Khoa học – Kĩ thuật, Hà Nội, 2001. Michael H. Gerardi et al, Wasterwater Biogy: TheLife Processes, USA, 1994. W. Wesley Echenfelder, Industrial Water Pollution Control. Third Edition, 2000. Richard Sedlak, Phosphorus and Nittrogen Removal form Municipal Wastewater (Principler and Parctive) Second Edition, America,1991. Morris A Levin, Michael A. Gealt, Biotreatment of Industrial and Hazazdous Waster, New York, 1993. Eugenia J. Olgúis, Goria Sánchez and Elizabeth Hernández, Environmental Biotechnology and Cleaner Bioprocesses, Mexico, 2000. Mc Graw – Hill, Series in Water Resources and Environmental Engineering, Singapore,2001.