ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Sự bùng nổ dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh chóng đã tạo ra sức ép lớn tới môi trường sống ở Việt Nam. Đặc biệt, nguồn nước sinh hoạt ngày càng trở nên thiếu hụt và ô nhiễm. Vấn đề xử lý nước thải đang là mối quan tâm lớn ở các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều biện pháp xử lý nước thải: biện pháp sinh học, biện pháp hóa học, biện pháp hóa lý,…trong đó phương pháp xử lý sinh học được xem là phương pháp thành công và hiệu quả nhất vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường. Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, Ammonia, Nito,…dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại: Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy. Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC & KTMT NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC ĐỀ TÀI: GVHD: PHẠM MINH TUẤN S/v thực hiện: Vũ Thị Thu Thùy Nguyễn Bảo Ngân 2008100057 2008100030 Phan Thị Thùy Uyên 2008100170 Lê Thị Hải Triều Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 2008100267 Mục Lục Nội dung trang LỜI MỞ ĐẦU Chương I GIỚI THIỆU CHUNG .4 1.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam 1.2 Hiệu ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải .5 Chương II TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1 Khái niệm về nước thải 2.2 Thành phần có nước thải .7 2.3 Các thông số Chương III QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 12 3.1 Vi sinh vật quá trình xử lý 12 3.2 Phân loại các quá trình 13 3.2.1 Điều kiện tự nhiên 13 3.2.2 Xử lý nhân tạo 15 Chương IV PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC 18 4.1 Phương pháp xử lí sinh học kị khí 18 4.2 Phương pháp xử lí sinh học hiếu khí .21 4.3 Màng sinh học 22 4.3.1 Cấu tạo và hoạt động màng vi sinh vật 22 4.3.2 Hoạt động lớp màng 23 4.3.3 Những đặc tính ưu và nhược điểm màng 24 4.4 Bùn hoạt tính 25 KẾT LUẬN 27 LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh chóng tạo sức ép lớn tới môi trường sống ở Việt Nam Đặc biệt, nguồn nước sinh hoạt ngày càng trở nên thiếu hụt và ô nhiễm Vấn đề xử lý nước thải là mối quan tâm lớn ở các nước thế giới ở Việt Nam Các nhà nghiên cứu đưa nhiều biện pháp xử lý nước thải: biện pháp sinh học, biện pháp hóa học, biện pháp hóa lý,…trong đó phương pháp xử lý sinh học xem là phương pháp thành công và hiệu vừa mang lại lợi ích cho kinh tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội lẫn môi trường Phương pháp sinh học ứng dụng để xử lý các chất hữu hòa tan có nước thải số chất vô H 2S, Sunfit, Ammonia, Nito,…dựa sở hoạt động vi sinh vật để phân hủy các chất hữu gây ô nhiễm Phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành loại: - Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động điều kiện không có oxy - Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động điều kiện cung cấp oxy liên tục Chương I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam Nước ta có nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, các khu công nghiệp và các đô thị chưa đông tình trạng ô nhiễm nước xảy ở nhiều nơi với các mức độ nghiêm trọng khác - Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước dùng tưới lúa và hoa màu, chủ yếu là ở đồng sông Cửu Long và sông Hồng Việc sử dụng nông dược và phân bón hóa học càng góp thêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn - Công nghiệp là ngành làm ô nhiễm nước quan trọng, ngành có loại nước thải khác Ơ nhiễm mơi trường từ các khu công nghiệp ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái tự nhiên Nước thải không qua xử lý các khu công nghiệp xả thải trực tiếp vào môi trường gây thiệt hại không nhỏ tới hệ thống nước mặt, nước ngầm các đô thị Hình 1: Nước bị ô nhiễm - Nước dùng sinh hoạt dân cư ngày càng tăng nhanh dân số và các đô thị Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải cuả các sở tiểu thủ công nghiệp khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm các đô thị ở nước ta - Ðiều đáng nói là các loại nước thải đều trực tiếp thải môi trường, chưa qua xử lý gì cả, vì nước ta chưa có hệ thống xử lý nước thải nào nghĩa tên gọi Hình 2: Nước thải đổ trực tiếp sông hô - Nước ngầm bị ô nhiễm, nước sinh hoạt hay công nghiệp và nông nghiệp Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn và nhiễm phèn xảy ở vùng ven biển sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cửu Long, ven biển miền Trung 1.2 Hiệu quả ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải Công nghệ xử lý nước thải ngày càng sâu vào áp dụng công nghệ sinh học và các biện pháp sinh học chứng minh hiệu xử lý triệt để, hẳn biện pháp xử lý hóa lý khác Xử lý nước thải công nghệ sinh học đáp ứng mục đích đưa dòng thải vào vòng tuần hoàn tự nhiên vật chất, chất thải xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên Kết quá trình xử lý là các chất thải chuyển hóa hoàn toàn thành dòng thải sạch (đủ tiêu chuẩn) Trong quá trình xử lý này, người không tác động trực tiếp các biện pháp lý hóa vào quy trình khép kín, đó lượng nước thải sau xử lý đưa vào tự nhiên sạch mà không bị biến đổi thành phần tính chất Chương II TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1 Khái niệm về nước thải  Nước thải là chất lỏng thải sau quá trình sử dụng người và làm thay đổi tính chất ban đầu chúng  Nước thải là nước dùng sinh hoạt, sản xuất chảy qua vùng đất nhiễm, có chứa các chất ô nhiễm dạng hữu cơ, vô cơ, vi sinh,…  Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể xảy theo cách: - Nhiễm bẩn tự nhiên nước mưa chảy tràn bề mặt đất mang theo chất bẩn và vi khuân gây bệnh vào nguồn nước tiếp nhận - Nhiễm bẩn nhân tạo chủ yếu xả nước thải (sinh hoat, bệnh viện, công nghiệp và nông nghiệp) vào nguồn nước tiếp nhận  Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải chia thành: nước thải sinh hoạt, nước công nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải thị • Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học hay các sở khác Chúng chứa khoảng 58% chất hữu và 42% chất khoáng Đặc điểm nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu không bền sinh học (như cacbonhydrat, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi • Nước thải công nghiệp (hay nước thải sản xuất) Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy hoạt động sản xuất Trong quá trình công nghệ các nguồn nước thải có thể phân thành: - Nước hình thành phản ứng hóa học (chúng bị ô nhiễm bởi các tác chất và các sản phẩm phản ứng) - Nước ở dạng ẩm tự và liên kết nguyên liệu và chất ban đầu, tách quá trình chế biến - Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị - Nước hấp thụ, nước làm nguội • Nước thải tự nhiên Nước mưa xem là nước thải tự nhiên Ở thành phố hiện đại, nước mưa thu gom hệ thống riêng • Nước thải đô thị Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chất lỏng hệ thống cống thoát thành phố Đó là hỗn hợp các loại nước thải kể 2.2 Thành phần bản có nước thải * Tính chất vật lý nước thải xác định dựa các tiêu: màu sắc, mùi, nhiệt độ và lưu lượng • Màu: nước thải mới có màu nâu sáng, nhiên thường là có màu xám có vẩn đục Màu sắc nước thải thay đổi đáng kể nếu bị nhiễm khuẩn, đó có màu đen tối • Mùi: có nước thải là các khí sinh quá trình phân hủy các hợp chất hữu hay số chất đưa thêm vào • Nhiệt độ: nhiệt độ nước thải thường cao so với nguồn nước sạch ban đầu, có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng gia đình và các máy móc sản xuất • Lưu lượng: thể tích thực nước thải xem là đặc tính vật lý nước thải, có đơn vị m3/người.ngày Vận tốc dịng chảy ln thay đổi theo ngày * Tính chất hóa học Các thơng số thể hiện tích chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, vô và khí Hay để đơn giản hóa, người ta xác định các thông số như: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất N, P, các chất rắn (hữu cơ, vô cơ, huyền phù và không tan) và nước • Độ kiềm: thực chất độ kiềm là môi trường đệm để giữ pH trung tính nước thải suốt quá trình xử lý sinh hóa • Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh hóa nước thải, thường xác định sau ngày ở nhiệt độ 200C BOD5 nước thải sinh hoạt thường nằm khoảng 100 – 300 mg/l • Nhu cầu oxy hóa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hóa nước thải COD thường khoảng 200 – 500 mg/l Tuy nhiên, có số loại nước thải công nghiệp BOD có thể tăng nhiều lần • Các chất khí hòa tan: là chất khí có thể hịa tan nước thải.Nước thải cơng nghiệp thường có lượng oxy hịa tan tương đối thấp • Hợp chất chứa N: số lượng và loại hợp chất chứa N thay đổi đối với loại nước thải khác • pH: là cách nhanh để xác định tính axit nước thải Nồng độ pH khoảng – 14 Để xử lý nước thải có hiệu pH thường khoảng – 9,5 (hay tối ưu là 6,5 – 8) • Phospho: là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa P thường khoảng – 20 mg/l • Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm nước thải có thể xem là chất rắn • Nước: ln là thành phần cấu tạo chính nước thải Trong số trường hợp, nước có thể chiếm từ 99,5% - 99,9% nước thải (thậm chí ngay loại nước thải ô nhiễm nặng các chất nhiễm chiếm 0,5%, cịn đối ng̀n nước thải xem là sạch thì nồng độ này là 0,1%) 2.3 Các thông số bản Đánh giá chất lượng nước mức độ gây ô nhiễm nước, có thể dựa vào số tiêu và qui định giới hạn tiêu đó tuân theo Luật môi trường Kết hợp các yêu cầu về chất lượng nước và các chất gây ô nhiễm nước có thể đưa số tiêu sau: • Độ pH: là tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải Chỉ số này cho ta biết cần thiết phải trung hịa hay khơng và tính lượng hóa chất cần thiết quá trình xử lý đông keo tụ, khử khuẩn, xử lý nước thải phương pháp sinh học, …Sự thay đổi giá trị pH nước có thể dẫn tới thay đổi thành phần các chất nước quá trình hòa tan kết tủa, thúc đẩy hay ngăn chặn phản ứng hóa học, sinh học xảy nước • Hàm lượng các chất rắn: tổng chất rắn là thành phần quan trọng nước thải Tổng chất rắn (TS) (gồm chất rắn lơ lửng (SS) và chất rắn hoà tan (DS)) xác định trọng lượng khơ phần cịn lại sau cho bay 11 mẫu nước bếp cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho đến trọng lượng khô không đổi Đơn vị tính mg g/l • Màu: nước có thể có độ màu, đặc biệt là nước thải thường có màu nâu đen đỏ nâu chất bẩn nước gây nên ảnh hưởng đến thẫm mỹ sử dụng nước, chất lượng sản phẩm sản phẩm sử dụng nước có màu sản xuất • Độ đục: các hạt rắn lơ lửng, các chất hữu phân rã các động thực vật sống nước gây nên Độ đục làm giảm khả truyền ánh sáng nước, vi sinh vật có thể bị hấp thụ bởi các hạt rắn lơ lửng gây khó khăn khử khuẩn Độ đục càng cao độ nhiễm bẩn càng lớn • Oxy hịa tan (DO – Dissolved oxygen): là tiêu quan trọng nước, vì các sinh vật cạn và dưới nước sống là nhờ vào oxy Độ hòa tan nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và các đặc tính nước Phân tích số oxi hòa tan (DO) là tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm nước và giúp ta đề biện pháp xử lý thích hợp • Chỉ số BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa – Biochemical Oxygen Demand): nhu cầu oxy sinh hóa hay nhu cầu oxy sinh học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu có nước vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoại sinh, hiếu khí BOD là tiêu thông dụng để xác định mức độ ô nhiễm nước thải Phương trình tổng quát oxy hóa sinh học: Chất hữu + O2 CO2 + H2O Vi sinh vật Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào chất chất hữu cơ, vào các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, số chất có độc tính xảy nước Bình thường 70% nhu cầu oxy sử dụng ngày đầu, 20% ngày tiếp theo, 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21 • Xác định BOD sử dụng rộng rãi môi trường: - Xác định gần lượng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu có nước thải - Làm sở tính toán thiết bị xử lý - Xác định hiệu suất xử lý quá trình - Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý phép xả vào nguồn nước Trong thực tế, người ta xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu vì thế tốn quá nhiều thời gian mà xác định lượng oxy cần thiết ngày đầu ở nhiệt độ ủ 20oC, ký hiệu BOD5 Chỉ số này dùng hầu hết thế giới • Chỉ số COD (Nhu cầu oxy hóa học – Chemical Oxygen Demand): Chỉ số này dùng rộng rãi để đặc trưng cho hàm lượng chất hữu nước thải và sự ô nhiễm nước tự nhiên COD định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu nước thành CO và H2O Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu có thể bị oxy hóa xác định sử dụng tác nhân oxy hóa hóa học mạnh môi trường axit Chỉ số COD biểu thị lượng các chất hữu bị oxy hóa vi sinh vật đó nó có giá trị cao BOD Đối với nhiều loại nước thải, BOD và COD có mối tương quan định với • Các chất dinh dưỡng: chủ yếu là N và P, chúng là nguyên tố cần thiết cho các thực vật phát triển hay chúng ví là chất dinh dưỡng kích thích sinh học - Nito (N): nếu thiếu N có thể bổ sung thêm N để nước thải đó có thể xử lý sinh học - Phospho (P): có ý nghĩa quan trọng xử lý nước thải phương pháp sinh học • Chỉ thị về vi sinh nước (E.coli): Trong nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, bệnh viện, vùng du lịch, khu chăn nuôi nhiễm nhiều loại vi sinh vật Trong đó có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là bệnh về đường tiêu hóa, tả lị, thương hàn, ngộ độc thực phẩm Chất lượng về mặt vi sinh nước thường biểu thị nồng độ vi khuẩn thị – đó là vi khuẩn không gây bệnh và về nguyên tắc đó là nhóm trực khuẩn (coliform) Thông số sử dụng rộng rãi là số coli Tuy tổng số coliform thường sử dụng số chất lượng nước về mặt vệ sinh, ở điều kiện nhiệt đới, số này chưa đủ ý nghĩa về mặt vệ sinh do: - Có nhiều vi khuẩn coliform tồn tại tự nhiên đất, vì vậy mật độ cao các vi khuẩn nước tự nhiên giàu dinh dưỡng có thể không có ý nghĩa về mặt vệ sinh - Các vi khuẩn coliform có xu hướng phát triển nước tự nhiên và các công đoạn xử lý nước thải (trước khử trùng) điều kiện nhiệt đới 10 • Nguyên tắc hoạt động: - Dựa khả giữ các cặn nước mặt đất, nước thắm qua đất qua khe lọc, nhờ có oxy các lỗ hỏng và mao quản lớp đất mặt, các VSV hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu nhiễm bẩn - Càng sâu xuống, lượng oxy ítvà quá trình oxy hóa các chất hữu giảm dần Cuối cùng đến độ sâu ở đó xảy quá trình khử nitrat - Các cánh đồng tưới và bãi lọc thường xây dựng ở nơi nào có mực nguồn nước thấp 1.5m so với mặt đất Cánh đồng tưới Nông nghiệp: Theo chế độ nước tưới người ta chia thành loại: - Thu nhận nước thải quanh năm - Thu nước thải theo mùa Khi thu hoạch, gieo hạt về mùa mưa người ta lại giữ trữ nước thải các đầm hồ Trước đưa vào cánh đồng, nước thải phải xử lý sơ qua song chắn rác, bể lắng cát bể lắng * Hồ sinh học: Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên nhân tạo, cịn gọi là hờ oxy hóa, hờ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác • Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh từ rêu tảo quá trình quang hợp oxy từ không khí để oxy hóa các chất hữu -> rong tảo lại tiêu thụ CO 2, photphat và nitrat amon sinh từ sự phân hủy, oxy hóa các chất hữu bởi vi sinh vật 13 Hình 4: Mô hình hô sinh học • Công dụng hồ sinh học: Hồ sinh học dùng xử lý nước thải sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch hồ Ngoài việc xử lý nước thải cịn có nhiệm vụ: ni trờng thuỷ sản, nguồn nước để tưới cho trồng, điều hoà dòng chảy - Ưu điểm: Là phương pháp rẻ, dễ xây dựng, dễ vận hành và không tốn lượng Có khả làm giảm các vi sinh vật nhiễm bệnh nước thải mơi tức thấp Có khả loại các chất hữu cơ, vô tan nước Hệ vi sinh vật chịu nồng độ kim loại tương đối cao(>30mg/l) - Nhược điểm: Thời gian xử lý khá dài Đòi hỏi mặt rộng Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Theo quá trình sinh hóa, người ta chia hồ sinh vật các loại: hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tùy nghi 14 + Hồ kị khí là loại hồ sâu , ít có không có điều kiện kị khí Các vi sinh vật kị khí không cần oxi không khí Chúng sử dụng oxi các hợp chất nitrat, sunfat … để oxi hóa các hợp chất hữu thành các axit hữu cơ, các loại rượu, khí CH 4, H2S, CO2… và nước + Hồ hiếu khí là loại hồ nông có chiều cao 0.3 – 0.5 m, có quá trình oxi hóa các hợp chất bẩn hữu chủ yếu nhờ các vi sinh vật hiếu khí Loại hồ này có loại: hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo + Hồ tùy nghi loại hồ này phổ biến thực tế Đó là loại kết hợp có quá trình song song: phân hủy hiếu khí các hợp chất hữu hòa tan đều có nước và phân hủy kị khí cặn lắng ở vùng đáy 3.2.2 Xử lý nhân tạo * Bể lọc sinh học (Bể Biophin có lớp vật liệu khơng thấm nước): • Cấu tạo: có vật liệu tiếp xúc không ngập nước - Các lớp vật liệu có độ rỗng và diện tích lớn (nếu có thể) - Nước thải phân phối đều - Nước thải sau tiếp xúc vật liệu tạo thành các hạt nhỏ chảy thành màng nhỏ luồng qua khe hở vật liệu lọc - Ở bề mặt vật liệu lọc và các khe hở chúng các cặn bẩn giữ lại tạo thành màng (Màng sinh học) - Lượng oxy cần thiết để cấp làm oxy hoá chất bẩn từ đáy lên - Những màng vi sinh chết cùng nước thải khỏi bể giữ ở bể lắng * Bể Aerotank: - Nguyên lý làm việc bể Aerotank: Giai đoạn 1: Tốc độ oxy hoá xác định tốc độ tiêu thụ oxy Giai đoạn 2: Bùn hoạt tính khôi phục khả oxy hoá, đồng thời oxy hoá tiếp chất hợp chất chậm oxy hoá Giai đoạn 3: Giai đoạn nitơ hoá và các muối amôn 15 Hình 5: Bể Aerotank *Xử lý nước thải vi sinh kỵ khí (bể UASB): • Cấu tạo : Bể UASB có thể xây dựng bêtông cốt thép, thường xây dựng hình chữ nhật Để dễ tách khí khỏi nước thải người ta lắp thêm chắn khí có độ nghiêng >= 350 so vơí phương ngang Nhiệt độ càng cao thì hiệu xử lí bể UASB càng cao, đó bể này áp dụng tốt ở Việt Nam • Nguyên tắc: Nước thải phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí , diễn quá trình phân hủy chất hữu bởi các vi sinh vật Hệ thống tách pha phía làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, chất khí bay lên và thu hồi, bùn rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo 16 Hình 6: cấu tạo bể UASB • Ưu điểm  Xử lý các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cao  Có thể thu hồi nguồn khí sinh học sinh từ hệ thống  Không tốn nhiều lượng  Quá trình cơng nghệ khơng địi hỏi kĩ tḥt phức tạp Hình 7: Bể UASB 17 Chương IV PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC 4.1 Phương pháp xử lí sinh học kị khí • Giới thiệu - Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu và vô phân tử điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí - Phân hủy kỵ khí có thể chia làm quá trình: Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo Lên men các amino acid và đường Phân hủy kị khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols) Phân hủy kị khí các acid béo dễ bay (ngoại trừ acid acetic) Hình thành khí methane từ acid acetic Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2 Các quá trình này có thể hợp thành giai đoạn, xảy đồng thời quá trình phân hủy kị khí chất hữu - Thủy phân: giai đoạn này, dưới tác dụng enzyme vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo) Quá trình này xảy chậm Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy chất Chất béo thủy phân chậm - Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO 2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0 - Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới - Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối quá trình phân huỷ kỵ khí Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO và sinh khối mới Trong giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, COD hầu không giảm, COD giảm giai đoạn methane 18 Hình 8: Quá trình phân hủy chất hữu kỵ khí 19 Hình 9: Các dòng biến đổi chất trình phân hủy kị khí Hình 10: Sơ phân loại hệ thống xử lý kỵ khí 20 4.2 Phương pháp xử lí sinh học hiếu khí • Định nghĩa Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữu điều kiện có oxy - Quá trình xử lý nước thải phương pháp hiếu khí gồm giai đoạn: + Ôxy hóa các chất hữu cơ: Enzyme CxHyOz + O2 → CO2 + H2O + ΔH + Tổng hợp tế bào mới: Enzyme CxHyOz + O2 + NH3 → Tế bào vi khuẩn (C5H7NO2)+ CO2 + H2O - ΔH + Phân hủy nội bào: Enzyme C5H7O2 + O2 → CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH Trong loại phản ứng ΔH là lượng sinh hay hấp thu vào Các số x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu chứa cacbon bị oxy hóa Hình 11: Sơ đô phân loại cơng nghệ xử lý hiếu khí 21 4.3 Màng sinh học Quá trình vi sinh dính bám là quá trình xử lý nước thải phương pháp sinh học Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ đá, xỉ, sành, sứ, nhựa… 4.3.1 Cấu tạo và hoạt động màng vi sinh vật • Cấu tạo màng vi sinh vật Từ phương pháp màng vi sinh ý tới là các biện pháp sinh học để xử lý nước thải, có nhiều nguyên cứu về cấu trúc màng vi sinh vật Theo thời gian và sự phát triển công cụ nghiên cứu, cấu trúc màng vi sinh vật ngày càng sáng tỏ và là sở để mô hình hóa quá trình sinh học xảy bên màng Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp, về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc màng vi sinh vật gồm: - Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật - Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh (microbial films) chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film) Hình 12: Hệ màng vi sinh theo khái niệm bản 22 Hình 13: Cấu tạo màng vi sinh vật 4.3.2 Hoạt động lớp màng • Quá trình tiêu thụ chất làm sạch nước: Lớp màng vi sinh vật phát triển bề mặt vật liệu tiêu thụ chất chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… từ nước thải tiếp xúc với màng chohoạt động mình Quá trình tiêu thụ chất sau: đầu tiên chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng vi sinh theo chế khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn quá trình tiêu thụ chất và quá trình trao đổi chất vi sinh vật màng Đối với loại chất ở thể rắn, dạng lơ lửng có phân tử khối lớn khuếch tán vào màng chúng phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ màng vi sinh giống Sản phẩm cuối cùng màng trao đổi vận chuyển khỏi màng vào chất lỏng • Quá trình tiêu thụ chất mô tả theo công thức sau: + Màng hiếu khí: Chất hữu + oxy + nguyên tố vết → sinh khối vi khuẩn + sản phẩm cuối + Màng kỵ khí: Chất hữu + nguyên tố vết → sinh khối vi khuẩn + sản phẩm cuối Các phương trình miêu tả chung quá trình tiêu thụ chất bởi vi sinh vật, không riêng đối với quá trình màng vi sinh 23 Khi thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, phản ứng sinh học xảy không đều Nếu chất bị hết ở chiều sâu nào đó màng vi sinh vật, tại đó phản ứng sinh học có liên quan đến chất này không xảy ra, và chất này gọi là chất giới hạn quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu màng vi sinh vật xác định từ đó Các nguyên tố vết nitơ, photpho và kim loại vi lượng nếu không có đủ nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học trở thành yếu tố giới hạn phản ứng Khi đó lớp màng bị tróc tạo điều kiện hình thành lớp màng mới Hình 14: Mô tả vi sinh vật màng 4.3.3 Những đặc tính ưu và nhược điểm màng • Ưu điểm - Về vận hành hoạt động thiết bị xử lý Ưu điểm quan trọng quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng vận hành hệ thống xử lý - Khởi động nhanh Trong quá trình bùn hoạt tính, thời gian khởi động tối thiểu tháng để đạt hiệu ổn định và thông thường là tháng So với màng vi sinh vật thì thời gian khởi động khoảng tuần đối với thiết bị lọc sinh học ngập nước và thiết bị tiếp xúc quay và cần thời gian dài đối với thiết bị lọc nhỏ giọt - Khả loại bỏ chất chất phân hủy chậm 24 - Khả chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm Ngay nhiệt độ nước thải xuống thấp tốc độ tiêu thụ chất bởi màng vi sinh vật không ảnh hưởng lớn thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống đối với chất phân hủy chậm, tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm nhiều tốc độ phản ứng theo nhiệt độ Ngược lại, nhiệt độ nước tăng tốc độ tiêu thụ chất không tăng nhiều phản ứng sinh học nội tại Vậy hiệu xử lý màng vi sinh vật ổn định ít phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ - Sự đa dạng về thiết bị xử lý Quá trình màng vi sinh vật có thể áp dụng để xử lý nhiều loại nước khác - Hiệu cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp Đối với quá trình màng vi sinh vật cần nồng độ chất cao giá trị cần thiết để trì sự trao đổi chất, nước thải với nồng độ chất thay đổi khoảng rộng đảm bảo hiệu xử lý Đối với màng vi sinh vật nước thải có nồng độ chất càng thấp càng dễ xử lý • Những nhược điểm màng vi sinh - Không có khả điều khiển sinh khối - Không có khả kiểm soát sinh khối kiểm soát thời gian lưu bùn và đó không kiểm soát các loài vi sinh vật có màng - Không có phương pháp nào đựoc phát triển để kiểm soát số lượng loài vi sinh có màng - Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán 4.4 Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng nước Các này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ đến 150 m này gồm các vi sinh vật sống và cặn rắn Những vi sinh vật sống ở chủ yếu là vi khuẩn, ngoài có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh… Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu các bể xử lý vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu nước thải Vi khuẩn hiếu khí và kị khí sử dụng chất hữu để lấy lượng 25 Bùn hoạt tính lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm Nếu hoạt hóa môi trường thích hợp có sục khí đầy đủ sinh trưởng trở lại và hoạt tính phục hồi Các chất keo dính khối nhầy bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi… nước thải Do vậy hạt bùn lớn dần và tổng lượng bùn tăng dần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy Kết là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước làm sạch Để phát huy vai trò bùn hoạt tính ta cần quan tâm đến nờng độ oxi hịa tan nước hay là điều kiện hiếu khí, nồng độ và tuổi bùn hoạt tính, các chất gây độc cho vi sinh vật nước hay bùn hoạt tính, pH, nhiêt độ nước thải Hình 15: mô hình bể bùn hoạt tính 26 KẾT LUẬN Nước đóng vai trị quan trọng, là khởi ng̀n sự sống Vì vậy vấn đề cung cấp nước sạch cho sự sống là vô cùng quan trọng Trong nguồn nước ngày càng bị ô nhiễm nặng nề, việc thải và xử lí nước ô nhiễm là vấn đề xúc Ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải phần giải quyết vấn đề góp phần làm giảm ô nhiễm, bên cạnh đó thì ý thức người là quan trọng Hãy chung tay cùng bảo vệ môi trường sống! 27 ... Trung 1.2 Hiệu quả ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải Công nghệ xử lý nước thải ngày càng sâu vào áp dụng công nghệ sinh học và các biện pháp sinh học chứng minh hiệu xử... hoạt, nước công nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải thị • Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường... nghiệp (hay nước thải sản xuất) Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy hoạt động sản xuất Trong quá trình công nghệ các nguồn nước thải có thể phân thành: - Nước hình