nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp bùn hoạt tính

1.2 - MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu trong mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học, áp dụng phương pháp xử lý bằng bùn hoạt tính.. 2.1.5 - Ô nhiễm môi trường do nước

Đề tài :

NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG

PHƯƠNG PHÁP BÙN HOẠT TÍNH

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH : MÔI TRƯỜNG

GVHD : Th.S NGUYỄN THỊ HỒNG SVTH : HỒNG LÊ TỐ TUYỀN KHÓA HỌC : 2001 – 2005

TPHCM , 02/2006

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến :

• Cô Nguyễn Thị Hồng đã rất tận tình hướng dẫn và đóng góp những

ý kiến quí báu cho em hoàn thành luận văn này

• Thầy Nguyễn Ngọc Thanh đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường

• Các quí thầy, cô khoa Công nghệ sinh học, trường Đại học Mở – Bán Công Thành phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi cho em hòan tất khóa học

• Công ty “Heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh” đã giúp đỡ

em trong suốt thời gian em lấy mẫu

• Lời cảm ơn cuối cùng, em xin được gửi tới gia đình, những người đã dạy dỗ, động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Với vốn kiến thức có hạn, việc nghiên cứu được tiến hành trong thời gian ngắn, luận văn này vẫn còn rất nhiều thiếu sót Em rất mong được sự chỉ dạy tận tình của thầy cô để em có thể hòan thiện vốn kiến thức của mình

Tp.HCM tháng 2 năm 2005

Sinh viên :

Hồng Lê Tố Tuyền

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục bảng biểu

Danh mục hình ảnh

Danh mục đồ thị

Các ký hiệu viết tắt trong bài

Chương 1 : Mở đầu 1

1.1 - Giới thiệu 1

1.2 - Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 - Phạm vi đề tài 2

1.4 - Đối tượng nghiên cứu 2

1.5 - Nội dung nghiên cứu 2

Chương 2 : Tổng quan 3

2.1 - Tổng quan về trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh 3

2.1.1 - Giới thiệu chung 3

2.1.2 - Khẩu phần thúc ăn và chế độ dinh dưỡng cho heo ở trại 5

2.1.3 - Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo 6

2.1.4 - Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo 7

2.1.5 - Ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi heo 9

2.2 - Tổng quan về quá trình bùn hoạt tính 13

2.2.1 - Lịch sử phát triển của quá trình bùn hoạt tính 13

2.2.2 - Giới thiệu về bùn hoạt tính 13

2.2.3 - Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bùn hoạt tính 22

3.1 - Mục tiêu 31

3.2 - Nội dung 31

3.3 - Thực nghiệm 31

3.3.1 - Nguyên liệu 31

3.3.2 - Mô hình thí nghiệm 33

3.3.3 - Thực hiện thí nghiệm 34

Chương 4 : Kết quả và thảo luận 38

4.1 - Kết quả thí nghiệm chạy thích nghi 38

4.2 - Kết quả thí nghiệm thay đổi tải trọng 40

4.3 - Kết quả thí nghiệm chạy thử nghiệm nước thải chăn nuôi kết hợp mô hình bùn hoạt tính hiếu khí và hồ sinh học với tải trọng thích hợp 49

Chưong 5 : Đề xuất qui trình xử lý nước thải cho trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh 52

5.1 - Phương án 1 52

5.2 - Phương án 2 54

5.3 - Lựa chọn phương án 55

Chương 6 : Kết luận và kiến nghị 56

6.1 - Kết luận 56

6.2 - Kiến nghị 56

Tài liệu tham khảo

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 : Khẩu phần thức ăn của từng loại heo 5

Bảng 2.2 : Tính chất nước thải chăn nuôi 7

Bảng 2.3 : Thành phần nước thải ở một số trại heo quốc doanh tại thành phố Hồ Chí Minh 10

Bảng 2.4 : Kết quả phân tích vi sinh mẫu nước giếng của các hộ gia đình 20

Bảng 2.5 : Các chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào vi khuẩn 26

Bảng 2.6 : Phần trăm thành phần của các nguyên tố chính trong tế bào vi khuẩn tính trên trọng lượng khô 27

Bảng 2.7 : Giá trị dinh dưỡng cần thiết để khử BOD 29

Bảng 2.8 : Thời gian lưu bùn tiêu biểu cho quá trình bùn hoạt tính 30

Bảng 3.1 : Các thông số đầu vào của nước thải chăn nuôi 32

Bảng 3.2 : Các điều kiện vận hành thí nghiệm thay đổi tải trọng đối với nước thải chăn nuôi 36

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 : Sơ đồ trang trại heo giống và kiểm tra năng suất

hoạt tính và hồ sinh học 34

Hình 5.1 : Sô đồ xử lý nước thải chăn nuôi heo kết hợp bể UASB

và bể Aerotank 52

Hình 5.2 : Sô đồ xử lý nước thải chăn nuôi heo kết hợp bể UASB

và hồ sinh học 54

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 4.1 : Sự biến thiên hiệu suất xử lý ở tải trọng

Đồ thị 4.6 : Sự biến thiên hiệu suất xử lý sau bể bùn hoạt tính

và hồ sinh học 50

Chương 1 : Mở đầu

1.1 - GIỚI THIỆU

Cùng với các chủ trương “công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp”, ngành chăn nuôi tiếp tục khẳng định là ngành kinh tế mũi nhọn trong nông nghiệp Được sự quan tâm, khuyến khích và tạo điều kiện nâng cao tỷ trọng chăn nuôi công nghiệp, ngành chăn nuôi nói riêng và nông nghiệp nói chung đang ngày càng phát triển

Tuy nhiên, ngành chăn nuôi cũng bộc lộ các nhược điểm : mặt bằng chăn nuôi hạn hẹp, không đảm bảo các điều kiện về vệ sinh thú y và môi trường Việc chăn nuôi đã thải ra một số lượng lớn nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, mùi hôi thối và đặc biệt là chứa nhiều vi trùng gây bệnh Nguồn nước thải này có nguy cơ trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh bệnh tật cho gia súc và cho người cũng như ảnh hưởng đến hệ thuỷ sinh vật khi thải ra các nguồn tiếp nhận

Do đó, việc nghiên cứu các biện pháp xử lý nước thải ngành chăn nuôi đang được quan tâm

Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải như : cơ học, lý học, hóa học, sinh học… Trong đó xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được sử dụng nhiều vì nó đơn giản, rẻ tiền và hiệu quả Phương pháp này thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật để thực hiện dạng phân hủy khác nhau Đặc trưng nhất của phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là phương pháp bùn hoạt tính

Do đó đề tài được đặt ra nhằm “ Nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp bùn hoạt tính” xem hiệu suất xử lý nước thải thay đổi như thế nào Đó là mục tiêu chính của đề tài

1.2 - MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu trong mô hình xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học, áp dụng phương pháp xử lý bằng bùn hoạt tính

- Khảo sát hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi ở tải trọng thích hợp để cho hiệu suất xử lý tốt nhất

- Góp phần đề ra phương án xử lý nước thải cho công ty

1.3 - PHẠM VI ĐỀ TÀI

Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Mở bán công Thành phố Hồ Chí Minh Với mô hình thí nghiệm là mô hình động, bao gồm các nội dung :

+ Chạy thích nghi

+ Thay đổi tải trọng

+ Chạy thử nghiệm kết hợp mô hình bùn hoạt tính hiếu khí và hồ sinh học

1.4- ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nước thải chăn nuôi của trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh

Bao gồm 3 thí nghiệm :

⮚ Thí nghiệm 1 : Chạy thích nghi với tải trọng 0,5 kg COD/m3.ngày

⮚ Thí nghiệm 2 : Thay đổi tải trọng (1,0 ; 2,0 ; 3,0 ; 4,0 kg COD/m3.ngày)

⮚ Thí nghiệm 3 : Chạy thử nghiệm nước thải chăn nuôi kết hợp mô hình bùn hoạt tính hiếu khí và hồ sinh học ở tải trọng 2,0 kg COD/m3.ngày

Chương 2 : Tổng quan

2.1 - TỔNG QUAN VỀ TRẠI HEO GIỐNG VÀ KIỂM TRA NĂNG SUẤT BÌNH MINH

2.1.1 - Giới thiệu chung

Trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh thuộc trung tâm nghiên cứu và huấn luyện chăn nuôi Bình Thắng nằm tại xã Giang Điền, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai

Trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh trước năm 2001 là khu đất nông nghiệp dùng để trồng các loại cây ngô, mì, khoai…Đến năm 2001 được Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn đầu tư xây dựng, trở thành một cơ sở chi nhánh của “Trung tâm nghiên cứu và huấn luyện chăn nuôi Bình Thắng” và lấy tên là “Trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh”

Nhiệm vụ chính của trại là nuôi dưỡng, chăm sóc các giống heo ngoại thuần chủng được nhập từ nước ngoài về Từ đó tạo ra các giống thuần chủng tốt nhất, chọn vào đàn giống hạt nhân quốc gia và cung cấp các con giống tốt thuần chủng cho người dân trong cả nước

Diện tích của trại khoảng 6 ha bao gồm : chuồng trại, nhà cân heo, lò thiêu, trạm sát trùng, khu xử lý nước thải, trạm phát điện, bồn đựng nước, nhà điều hành, nhà tập thể của cán bộ công nhân viên, phòng bảo vệ, nhà thay đồ, nhà kho

Hình 2.1 : Sơ đồ tổng quát trại heo giống và kiểm tra năng suất Bình Minh

2.1.2 - Khẩu phần thức ăn và chế độ dinh dưỡng cho heo ở trại

Đạ

m (%)

Chất

xơ thô (%)

Độ ẩm (%)

Ca (%)

P (%)

NaCl (%)

E (Kca l/kg)

Nọc Porcy

18B 2,5–3,2 16,5 7 13 0,7-1,4 0,6 0,3-0,8 2900 Nái

đẻ

Porcy

18B 2 + 0,5 16,5 7 13 0,7-1,4 0,6 0,3-0,8 2900 Khô

chửa

Porcy

18A 2-2,2 14 8 13 0,7-1,6 0,6 0,3-0,8 2800 Heo

20 5 13 0,7-1,4 0,7 0,3-0,8 3400

Bảng 2.1 : Khẩu phần thức ăn của từng loại heo

Trại chỉ sử dụng cám tổng hợp của Công ty liên doanh Việt – Pháp Proconco để cho heo ăn Cám do Công ty chế biến sản xuất bao gồm nhiều loại để thích hợp cho heo ở từng lứa tuổi khác nhau

Nhìn chung khẩu phần thức ăn và chế độ dinh dưỡng cho heo ở trại là rất tốt Do trại sử dụng cám tổng hợp của Công ty liên doanh Việt – Pháp là loại cám có chất lượng tốt và là nguồn dinh dưỡng chính cho heo Bên cạnh đó, trại còn bổ sung thêm các khoáng vitamin

2.1.3 - Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi heo là nước sau khi được sử dụng cho mục đích chăn nuôi heo Chất thải từ các hoạt động chăn nuôi heo chủ yếu là phân, nước tiểu, nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Thành phần chất thải thay đổi phụ thuộc vào từng chủng, loại, giai đoạn sinh trưởng, chế độ dinh dưỡng và sự thay đổi khí hậu Tính chất và nồng độ các chất có trong nước thải phụ thuộc vào lượng thức ăn, khẩu phần ăn, thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom chất thải trong chuồng hoặc lượng nước sử dụng khi vệ sinh chuồng trại, tắm rửa cho gia súc

Bảng 2.2 : Tính chất nước thải chăn nuôi

(Nguồn : Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên 1997 – 1998)

Theo nghiên cứu của tác giả thì nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải là rất cao Nếu thải tự do ra môi trường thì hậu quả gây ô nhiễm sẽ rất trầm trọng

2.1.4 - Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo

Thành phần dòng thải từ chăn nuôi có thể phân ra thành các nhóm : phân, nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại và tắm rửa cho heo, xác heo chết, ổ lót và thức ăn thừa

2.1.4.1 - Phân

Phân heo được bài tiết hàng ngày ở dạng rắn hoặc hơi lỏng Trong phân heo, thành phần hoá học đáng nói nhất là Nitơ, chiếm từ 7,99 – 9,32 g/kg (Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên 1997, 1998) Đây là nguồn dinh dưỡng có

giá trị cho cây trồng, góp phần cải tạo đất ở một số nước có nền chăn nuôi phát triển Nguồn phân bón từ heo đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp, bảo vệ đất và chống xói mòn Phân heo tươi còn chứa nhiều loại muối khoáng khác nhau, các muối chính bao gồm Canxi, Magie, muối Sulfur, sắt, muối đồng và các kháng sinh Ngoài ra, phân heo còn chứa nhiều thành phần vi sinh gây bệnh như

vi khuẩn, virut, trứng giun sán, ấu trùng…Chúng có thể tồn tại trong môi trường một thời gian dài gây ô nhiễm môi trường

2.1.4.2 - Nước tiểu

Trong nước tiểu chăn nuôi, nước chiếm khoảng 90%, 10% còn lại bao gồm các chất như Nitơ (phần lớn dưới dạng urê) và Photpho Urê trong nước tiểu dễ phân huỷ trong điều kiện có oxy Do đó, khi động vật bài tiết ra bên ngoài, chúng dễ dàng phân huỷ tạo thành khí amoniac có mùi hôi Nhưng nếu sử dụng phân bón cho cây trồng thì đây chính là nguồn phân bón giàu Nitơ, Photpho và Kali

2.1.4.3 - Thức ăn dư thừa

Thức ăn dư thừa gồm các chất hữu cơ dễ phân huỷ có trong bột ngũ cốc, bột cá, tôm…Các chất khoáng có trong thức ăn bổ sung, chất kháng sinh, các hormone kích thích tăng trưởng…Các chất này dễ dàng phân huỷ trong môi trường sau một thời gian tạo mùi hôi khó chịu và góp phần ô nhiễm môi trường

2.1.4.4 - Các yếu tố khác

o Ổ lót như rơm rạ, vải, gỗ…dùng để lót chuồng, che chắn, giữ độ ẩm Chúng cũng có tác dụng hấp thụ mùi hôi trong chuồng trại Sau một thời gian sử dụng, chúng được thải ra, cần được thu gom và xử lý vì chúng có thể mang theo phân, nước tiểu và vi sinh vật gây bệnh

o Xác heo chết, nhất là do dịch bệnh là nguồn ô nhiễm nguy hiểm Vì nó mang mầm bệnh gây hại cho con người và gia súc Do đó, chúng cần được xử lý thiêu huỷ triệt để cũng như vệ sinh và khử trùng chuồng trại

2.1.5 - Ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi heo

Thành phần nước thải chăn nuôi heo bao gồm các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, các chất dinh dưỡng như Nitơ, Photpho, các chất khoáng, các chủng vi sinh vật và nguồn bệnh Vì thế khi thải vào môi trường, nếu không được xử lý sẽ tác động mạnh mẽ đến môi trường đất, nước và không khí Ngoài

ra còn lan truyền bệnh tật cho con người và vật nuôi

2.1.5.1 -Ô nhiễm môi trường đất

Các chất dinh dưỡng có trong phân và nước thải từ các hoạt động chăn nuôi Nếu đem bón cho cây trồng hoặc dùng để cải tạo đất với một mức độ hợp lý thì sẽ cho một kết quả tốt và đồng thời tăng độ phì nhiêu cho đất Tuy nhiên,

do chứa nhiều chất hữu cơ và các chất chứa Nitơ, Photpho, nếu sử dụng chúng không hợp lý hoặc sử dụng ở dạng tươi thì cây trồng không sử dụng hết sẽ cho tác dụng ngược lại Như là làm mất cân bằng dinh dưỡng trong đất gây phú dưỡng; sự phân huỷ các chất hữu cơ và các hợp chất chứa Nitơ, Photpho sẽ gây ngộ độc cho cây, làm thối rễ, chết rễ

2.1.5.2 -Ô nhiễm môi trường nước

Theo báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Đồng Nai năm 2004, hầu hết các

cơ sở nuôi heo đều phải trực tiếp thải ra ao, hồ, s6ng suối, đồng ruộng Tình hình tương tự cũng diễn ra đối với các tỉnh khác Trong đó, đặc biệt ở thành phố Hồ Chí Minh có ngành chăn nuôi phát triển, theo kết quả phân tích chất lượng nước thải ở các cơ sở chăn nuôi quốc doanh và các hộ gia đình cho thấy mức độ ô

nhiễm các chất hữu cơ và vi sinh khá cao, không được phép thải trực tiếp ra môi trường

Bảng 2.3 : Thành phần nước thải ở một số trại heo quốc doanh tại thành phố Hồ

Chí Minh

(mg/l)

BOD 5 ( mg/l)

Photpho tổng (mg/l)

Nitơ tổng (mg/l)

TSS (mg/l)

Tổng Coliform (MNP/100ml)

Mẫu phân tích mùa khô

Bảng 2.4 : Kết quả phân tích vi sinh mẫu nước giếng của các hộ gia đình

(Nguồn : Viện Khoa học Nông nghiệp miền Nam 1996)

Các kết quả phân tích mẫu nước giếng tại các xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh và một số hộ gia đình ở thành phố Hồ Chí Minh cho thấy nước ngầm ở

các khu vực này đã bị ô nhiễm, nhất là ô nhiễm vi sinh Vì thế nguồn nước

không sử dụng được cho mục đích sinh hoạt cũng như ăn uống của người dân

Nguyên nhân là do chưa quản lý được chất thải chăn nuôi phát sinh

2.1.5.3 -Ô nhiễm môi trường không khí

Trong hoạt động chăn nuôi, khí thải chủ yếu là do quá trình vi sinh vật

phân huỷ các chất thải động vật và thức ăn dư thừa Khí thải được sinh ra tuỳ

thuộc vào nhiệt độ môi trường, phương thức thu gom, bảo quản và xử lý chất thải mà sinh ra các loại khí khác nhau Quá trình phân giải các chất thải của gia súc

do vi sinh vật như sau :

Protein

NH3

Indol, Schatol, Phenol

H2S Axit hữu cơ mạch ngắn

Các khí này được chia ra thành các nhóm :

⮚ Nhóm 1 : Các loại khí gây kích thích

Nhóm này gây tổn thương hệ hô hấp, đặc biệt là gây tổn thương niêm

mạc đường hô hấp bao gồm : H2S, NH3 , Indol, Schatol và phenol Ngoài ra, NH3

còn gây nên hiện tượng kích thích thị giác, làm giảm thị giác

⮚ Nhóm 2 : Các khí gây ngạt

Các khí này gồm CH4 , CO2 , những chất trơ về mặt sinh lý Tuy nhiên,

nếu hít phải với nồng độ cao sẽ ảnh hưởng khả năng tiếp nhận oxy của quá trình hô hấp và gây nên hiện tượng ngạt Các khí gây ngạt hoá học như CO, do chúng kết hợp với Haemoglobin của hồng cầu làm ngăn cản quá trình thu nhận hoặc sử dụng oxy của các mô bào

⮚ Nhóm 3 : Các khí gây mê

Trong nhóm này các hydrocacbon ảnh hưởng nhỏ hoặc không ảnh hưởng đến phổi, nhưng khi được hô hấp vào máu thì có tác dụng như dược phẩm gây

mê

⮚ Nhóm 4 : Các chất khác

Những chất khí này bao gồm các nguyên tố và các chất độc dễ dàng bay hơi Chúng có nhiều tác dụng độc khác nhau hấp thụ vào cơ thể chẳng hạng như khí phenol ở nồng độ cấp tính

Axit hữu

cơ

AlcoholAldehydes, Kotones

H2O, CO2

Hydrocacbon mạchngắn Cacbonhydrate

Axit béo Alcohol

H2O, CO2, CH4

Aldehydes và Kotones Lipid

2.2 - TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH

2.2.1 - Lịch sử phát triển của quá trình bùn hoạt tính

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí – bùn hoạt tính ngày nay đã trở nên rất phổ biến và quen thuộc Tổ tiên của phương pháp này là tiến

sĩ Angus Smith Vào thập niên 80, ông đã nghiên cứu việc làm thoáng khí tạo điều kiện oxi hóa chất hữu cơ làm giảm ô nhiễm trong nước thải Và từ đó, có rất nhiều nghiên cứu vềà vấn đề này Năm 1910, Black và Phelps thấy rằng có thể làm giảm ô nhiễm nước thải đáng kể bằng cách sục khí Nhiều nghiên cứu tiếp theo đã đưa đến thí nghiệm Lowrence trong suốt năm 1912, 1913 của Clack và Gage Hai ông thấy rằng nước thải được làm thoáng, cùng với việc nuôi cấy

vi sinh vật bằng các bình, các hồ được che một phần bằng các máng che 25 mm sẽ tăng khả năng làm sạch nước Dựa vào kết quả của công trình nghiên cứu này, Tiến sĩ G.J Flower đại học Manchester, Anh thực hiện một số thí nghiệm tương tự và cuối cùng đưa đến công trình của Arden và Lockett tại viện nghiên cứu nước thải Machester Trong suốt quá trình thí nghiệm của mình, hai ông phát hiện rằng, bùn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải bằng cách sục khí Công trình nghiên cứu này được công bố vào ngày 3/5/1914 Arden và Lockett đặt tên cho quá trình này là quá trình bùn hoạt tính (Metcalf & Eddy)

2.2.2 - Giới thiệu về bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính có nhiệm vụ làm giảm nồng độ chất hữu cơ và vô cơ đến mức thấp nhất có thể Bùn hoạt tính là một quần thể bao gồm :

• Các vi khuẩn thường có mặt các chủng : Pseudomonas,

Favobacterium, Achrombacter, Chrombacterium, Azotobacter, Micrococus, Bacilus (B.subtilis, B.cereus, B.megaterium), Alkaligenes, Arthrobacter, Acinetobacter, Lophomonas, Nocadia…

• Nấm : là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính Chỉ có một lượng nhỏ nấm có khả năng oxi hóa NH3 thành Nitrit và Nitrat Các lọai nấm thông thường

là Sphaerotilus natans và Zoogloea sp ( Curtis, 1969)

• Protozoa : là nhóm vi sinh vật chỉ thị cho hoạt động của hệ thống

xử lý nước thải gồm: Amoebae, Flagellates, Ciliates (dạng bơi tự do, dạng bò

trườn, dạng có tiên mao) Trong nhóm trùng tiên mao có nhiều nhất là

Peritricha (33%), đồng thời cả Vorticella, Opercularia và Epistypis 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, và phần lớn các

chất hữu cơ đã được loại bỏ

• Rotifer : thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định,

nước có hàm lượng hữu cơ thấp 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

Ngoài ra trong bùn hoạt tính còn có mặt các vi khuẩn dạng sợi, các dạng này có ít hay nhiều quá trong bùn cũng làm giảm khả năng kết bông cũng như

lắng của bùn như : Sphaerotilus, Leptomitus, Leucothrix, Thiothrix, Toxothrix,

Beggiatoa, Microscilla, Norcadia, Flexibacter, Vitreoscilla, Glostrichumcandium, Linoela longa, Pelonema subbilissum, Spirulina albida, Haliscomenobacter

hydrossis, Microthrix parvicella, Nostocoidalimicoda Nếu dạng này chiếm ưu

thế thì khả năng lắng và lèn chặt của bùn hoạt tính sẽ giảm nhiều,gây khó khăn đáng kể cho quá trình vận hành Nhìn chung, vi sinh vật bùn hoạt tính được chia làm hai nhóm chính :

⮚ Nhóm phân hủy : chịu trách nhiệm phân hủy các chất ô nhiễm trong nước thải, đại diện cho nhóm này có vi khuẩn, nấm, cynaphyta không màu

Một số động vật nguyên sinh (Osmotrophis protozoa) cũng có khả năng phân hủy chất hữu cơ, nhưng các chất này phải ở nồng độ cao Ngược lại, chúng sẽ không làm tốt công việc này như vi khuẩn

⮚ Nhóm tiêu thụ : có nhiệm vụ tiêu thụ các tế bào vi khuẩn, các chất nền Nhóm này chủ yếu là microfauna (động vật nguyên sinh) và metazoa (động vật đa bào)

Hình 2.2 : Quần thể vi sinh trong bùn hoạt tính

Nitrobacter sp Pseudomonas

sp

Vorticella convallaria Opercularia sp

Lecane sp Sphaerotilus natans

Microthrix parvicella

2.2.2.1 - Sự tăng trưởng sinh khối

Vi sinh vật có thể sinh trưởng thêm nhiều nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản giới tính, nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi Thời gian cần để phân đôi tế bào thường gọi là thời gian sinh sản, có thể dao động từ dưới 20 phút đến hằng ngày

Các giai đọan sinh trưởng của vi khuẩn :

a ) Giai đoạn tiềm tàng ( giai đoạn sinh trưởng chậm) (Lag phase) : là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian để thích nghi với môi trường dinh dưỡng Ở gian đoạn này, nồng độ BOD trong nước thải cao, nồng độ oxi hòa tan thấp Nhóm động vật nguyên sinh (protozoa) có thể sống trong điều kiện này là trùng

biến hình (amoebae) và trùng roi (flagellate)… Trùng tiên mao (ciliated protozoa), trùng bánh xe (rotifer), giun tròn bơi tự do (free-living nematode) cũng xuất hiện ở

giai đoạn này nhưng số lượng ít và khả năng hoạt động không hiệu quả Vì vậy, hiệu quả xử lý BOD trong suốt pha lag không cao, nước thải bị đục

b ) Giai đoạn tăng sinh khối theo số mũ (Log phage ) : Ở pha log

vi khuẩn sản xuất ra nhiều enzym cần thiết cho quá trình sinh trưởng Có thể chia pha Log thành hai giai đoạn nhỏ

▪ Trong nửa giai đoạn đầu, tế bào vi khuẩn hấp thụ BOD và hàm lượng bay hơi của MLSS tăng Lúc này vi khuẩn chưa sinh trưởng nhiều

▪ Trong nửa giai đoạn còn lại, quá trình tổng hợp tế bào và sinh trưởng xảy ra Vi khuẩn sử dụng BOD đã hấp thu được để sản sinh ra tế bào mới, số lượng vi khuẩn lúc này tăng nhanh theo cấp số mũ Hiệu quả xử lý BOD lúc này rất cao Nồng độ ô nhiễm trong nước thải giảm mạnh, và nồng độ oxy tăng

Trùng tiên mao bơi tự do tăng nhanh trong suốt pha log và là nhóm vi khuẩn đặc trưng cho pha này, thời gian sinh trưởng của trùng tiên mao bơi tự do

(free-swimming ciliate) khoảng 24 giờ Trong khi đó, trùng biến hình (amoebae) và trùng roi (fagellate) không thể cạnh tranh thức ăn với trùng tiên mao (ciliated

protozoa) nên trong giai đoạn này số lượng trùng biến hình (amoebae) và trùng

roi (flagellate) giảm Ngoài ra, trùng tiên mao di chuyển bằng cách bò (crawling

ciliate), trùng tiên mao có cuống (stalked ciliate), trùng bánh xe (rotifer), và giun

tròn di chuyển tự do (free-living nematode) cũng xuất hiện rất ít

c ) Giai đoạn tăng trưởng chậm dần ( Declining log phage ) : Trong

giai đoạn này, có hai điều kiện quan trọng để hình thành bông bùn Đầu tiên, phải có một lượng lớn vi khuẩn Thứ hai, các vi khuẩn này phải sản xuất ra một lướng lớn mảnh vụn tế bào cùng các polysaccarit, các hạt polyhydrobutyrate (PHB) Mảnh vụn tế bào, polysacarit, PHB chính là các yếu tố hình thành bông bùn Mảnh vụn tế bào có kích thước nhỏ (2 –5 nm) , gồm nhiều gốc hóa học như cacboxyl (-COOH ) ,hydroxyl (-OH) ,sulfhydryl (-SOOH) và phophoryl (-POOH) Những gốc hóa học này sẽ bị ion hóa trong khoảng pH tối ưu của bùn hoạt tính Khi đó, phân tử hydro sẽ tách ra, còn lại là các ion âm, chúng sẽ kết hợp với các ion đa hóa trị trong nước thải (Ca2+ ) và liên kết các vi khuẩn lại với nhau, hình

thành bông bùn pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ ion hóa nên khi thay đổi sẽ ảnh hưởng đến quá trình tạo bông bùn

Nhiều polysaccarit được sản sinh trong suốt quá trình tạo bông Các polysaccarit này đóng vai trò như chất kết dính để gắn kết các tế bào vi khuẩn lại với nhau Trong giai đoạn này, lượng sinh khối rất nhiều và đa dạng, hiệu

quả xử lý BOD cao Số lượng trùng tiên mao (ciliated protozoa) nhiều, trong đó chiếm ưu thế là trùng tiên mao di chuyển bằng cách bò (crawling ciliated

protozoa) Trùng tiên mao bơi tự do (swimming ciliated protozoa) không nhiều do

ở giai đoạn này số lượng vi khuẩn ít phân tán gây khó khăn cho việc tìm thức ăn cho loại này

d ) Giai đoạn hô hấp nội bào (Endogenou sphase) : Trong giai đoạn

này xảy ra hiện tượng giảm dần sinh khối Hầu hết lượng BOD đã phân hủy được sử dụng cho hoạt động sống của tế bào vi khuẩn hơn là quang hợp và sinh trưởng Một điều thay đổi đáng kể trong giai đoạn này là sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi Bông bùn cần có một lượng vi khuẩn dạng sợi đủ để phát triển ở kích thước trung bình (150 – 500 µm) và kích thước lớn ( >500 µm) Trong giai đoạn này, số lượng vi sinh nhiều, đa dạng, do đó đẩy nhanh hiệu quả xử lý ô nhiễm Ở giai đoạn này, nước thải đã được xử lý gần hết, mức độ ô nhiễm sẽ giảm xuống

Số lượng trùng tiên mao di chuyển bằng cách bò (crawling ciliated

protozoa) và trùng tiên mao có cuống (stalk ciliated protozoa) ở giai đoạn này rất

cao, dưới những điều kiện tối ưu, số lượng protozoa có thể là 5000/ml Trùng bánh xe và giun tròn có thời gian phát sinh trưởng dài so với động vật nguyên sinh, thời gian sinh trưởng của chúng là vài tuần Thời gian này thường lâu hơn tuổi bùn của hầu hết các quá trình của bùn hoạt tính Thời gian sinh trưởng dài

chính là một trong hai yếu tố làm cho lượng Rofiter không nhiều Yếu tố thứ hai

là do sự xáo động trong môi trường bùn hoạt tính gây khó khăn cho sinh vật đực và cái gặp nhau Chúng sẽ tăng nhanh trong môi trường ổn định và có tuổi bùn cao, thường là trong các hồ sinh học (Michael H.Gerardi)

Hình 2.3 : Đường cong biểu diễn các giai đoạn tăng sinh khối của vi khuẩn

2.2.2.2 - Quá trình tạo bông của bùn hoạt tính

Khả năng tạo bông là đặc tính quan trọng nhất của bùn hoạt tính Nhờ có sự kết bông mà bùn có một tốc độ lắng thích hợp và chỉ có lắng trọng lực là cách hiệu quả và kinh tế nhất để tách bùn khỏi nước thải đã xử lý Các vi sinh vật có khả năng kết bông hoặc có khả năng kết dính, chúng sẽ được giữ lại trong bùn hoạt tính không bị cuốn trôi đi Việc phát triển thành khối sẽ bảo vệ chúng

chống lại sự đe dọa của các loài khác Các vi sinh vật này gồm :Pseudomonas,

Achromobacter, Alcaligens, Citromonas, Flavobacterium và Zooglea Chúng có

Pha tăng trưởng

khả năng chuyển các chất hữu cơ thành glycocalyx Glycocalyx có nhiệm vụ kết dính các tế bào lơ lửng và hì nh thành những lớp màng sinh học

2.2.2.3- Khả năng tạo bông của bùn

Trong điều kiện tối ưu, bùn hoạt tính được hình thành ở dạng những bông dễ dính vào nhau và dễ lắng Ở giai đoạn tăng trưởng cấp số mũ, vi khuẩn bị biến mất trong môi trường nuôi cấy Vào thời điểm chuyển sang giai đoạn chậm dần, chúng kết lại thành bông có màu nâu nhạt, có thể dài đến vài mm Chúng có dạng phân nhánh như cái găng tay, các vi khuẩn xuất hiện thành từng nhóm dạng keo, bông tồn tại ở giai đoạn chuyển hóa nội bào

Kết bông vi sinh là một hiện tượng phức tạp được điều khiển bởi trạng thái sinh lý của tế bào, là một đặc tính của nhiều vi sinh vật, có liên quan đến sự bài tiết polymer mà trong đó các polysaccarit đóng vai trò đặc biệt

2.2.2.4 - Cơ chế của việc tạo bông

Cơ chế của việc tạo bông sinh học và các yếu tố quyết định cơ chế đó đã được nhiều tác giả nghiên cứu như :

Theo ý kiến của Mc.Kinney, sự tạo bông sinh học gây ra do việc giảm diện tích đến giá trị tới hạn cho phép các tế bào tụ hợp lại trong quá trình chuyển đổi tự do của chúng Việc giảm diện tích bề mặt tế bào bắt đầu vào thời điểm khi mà các lớp vỏ tế bào được phủ bằng vật liệu polysaccarit sản sinh bởi tế bào, chủ yếu là vào giai đoạn chuyển hóa nội bào

K.Rabtree và những người khác gắn quá trình tạo bông sinh học với việc hình thành polymer nội bào axit poly-β-oxy butyric Nhưng phần lớn các chuyên gia lại gán cho polymer này chức năng của chất dự trữ bị tiêu hao trong giai đoạn chuyển hóa nội bào tức là giai đoạn mà quá trình tạo bông sinh học xảy ra mạnh nhất

Hiện nay được nghiên cứu đầy đủ nhất là lý thuyết kết dính tế bào dưới tác động của polymer ngoại bào Theo thuyết này thì sự tạo bông sinh học xảy ra bằng cách tác động tương hổ của những chất điện ly cao phân tử do các tế bào sinh ra với bản thân tế bào vi khuẩn Kết quả là các chất đa điện ly nối và liên kết những tế bào riêng biệt thành các tổ hợp và bông có khả năng tách khỏi pha lỏng bằng phương pháp lắng

2.2.3 - Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bùn hoạt tính

2.2.3.1 - Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn tới tốc độ của phản ứng sinh hóa trong quá trình xử lý nước thải Nhiệt độ không những ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật mà còn tác động lớn tới quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng bông cặn chứa các vi sinh vật ở bể lắng đợt 2 Khi nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ hòa tan của oxy trong nước, làm tăng tốc độ của quá trình chuyển hóa Quá trình này lại cần oxy hòa tan nên tốc độ tiêu thụ DO cũng tăng

Nhiệt độ nước thải cao từ 350C đến 400C có thể làm bùn không kết dính được mà phát triển dưới dạng phân tán Eikelboom (2000) thấy rằng

M.parvicella phát triển tốt ở nhiệt độ dưới 150C, loại 009 lại thích nghi ở nhiệt độ trên 150C Những thí nghiệm gần đây cho thấy các vi khuẩn dạng sợi thường tăng nhanh ở nhiệt độ từ 350C đến 400C Ở nhiệt độ này, chúng phát triển phân tán Đó là lý do, bông bùn không kết dính

(David Jenkins, Michael G.Richard, Glen T.Daigger)

2.2.3.2 - Ảnh hưởng của kim loại nặng

Nước thải công nghiệp thường chứa nhiều kim loại nặng độc hại Hầu hết các kim loại nặng xâm nhập vào bùn hoạt tính ở dạng hòa tan như oxit kim loại hay dưới dạng các ion tự do như Cu2+, Pb2+ Khi các kim loại này hấp thụ vào bề

mặt của tế bào vi khuẩn, một vài phản ứng hóa học và lý học sẽ xảy ra Sự hiện diện của các kim loại này ở tế bào vi khuẩn sẽ làm bông bùn nặng hơn Một vài kim loại nặng hấp thụ vào trong tế bào vi khuẩn, khi vào trong tế bào vi khuẩn, chúng sẽ tấn công các enzym

Điều này thường xảy ra ở vị trí nhóm thiol (-SH) trong các amino acid Khi các enzym bị tấn công sẽ làm trì trệ hoạt động của các vi khuẩn Kim loại nặng không chỉ tấn công vi khuẩn mà còn tấn công trùng tiên mao, trùng bánh

xe, giun tròn bơi tự do Việc này dẫn tới làm giảm hoạt động của các vi sinh vật và chúng bị rửa trôi nhiều ở dòng ra Murthy và Novak (1998) thấy rằng nồng độ

K+ xấp xỉ 0,7 g/l sẽ gây hiện tượng bùn phát triển phân tán

Có nhiều chỉ thị để nhận biết trong nước thải có kim loại nặng, có thể dùng kính hiển vi, chỉ thị sinh học, hóa học Nếu dùng kính hiển vi để xem bùn,

ta có thể nhận biết sự hiện diện của kim loại nặng khi bùn phát triển phân tán, giảm mật độ hay thay đổi hình dạng bông bùn, thay đổi hoạt động và số lượng trùng tiên mao Chỉ thị sinh học, chính là sự tăng nồng độ oxy hòa tan trong bể sục khí Ngoài ra ta cũng có thể dùng chỉ thị hóa học như phân tích thành phần amoni, nitric, orthophotphat trong nước

Khi có sự hiện diện của các kim loại nặng độc hại trong nước, các vi khuẩn chỉ khử một lượng nhỏ cBOD (cacbon BOD) Do vậy, vi khuẩn chỉ sử dụng một lượng nhỏ N và P Vì thế nồng độ các ion amoni và orthophotphat trong nước thải sẽ cao Do các vi khuẩn nitrat hóa bị ức chế bởi các kim loại nặng, quá trình nitrat hóa sẽ bị chậm lại Nếu quá trình nitrat hóa bị chậm lại

hay ngừng hẳn, sẽ xảy ra sự tích lũy của các ion nitrit Vi khuẩn Nitrosomonas (chuyển hóa amoni thành nitrit) chịu được kim loại nặng tốt hơn Nitrobacter

(chuyển hóa nitrit thành nitrat) Cho nên nước thải đầu ra có nồng độ cao các ion

nitrit, trong khi nồng độ các ion nitrat thì thấp Khi quá trình nitrat bị ngừng hẳn, amoni không bị oxy hóa trong bể sục khí và sẽ nằm trong nước thải đầu ra Quá trình khử BOD bị ngưng trệ thì oxy sẽ không được sử dụng cho các hoạt động của vi sinh vật Khi đó, nồng độ oxy trong bể sẽ cao (Michael H.Gerardi)

2.2.3.3 - Ảnh hưởng của các chất dầu mỡ trong nước thải

Chất béo thường gặp trong nước thải sinh hoạt là các chất bơ, margarine, dầu thực vật, dầu ăn Chất béo cũng được tìm thấy ở thịt, đậu phộng… Chất béo và dầu mỡ thường bền vững và khó bị phân hủy Trong quá trình bùn hoạt tính, các hợp chất này sẽ bao phủ các bông bùn và can thiệp hoạt động vi khuẩn cũng như cấu trúc bông bùn Các chất béo, dầu mỡ này có cấu trúc hóa học tương tự như lipid của thành tế bào, sẽ được hấp thụ vào thành tế bào vi khuẩn Các hợp chất này, khi ở trên bề mặt tế bào sẽ làm tăng nồng độ MLVSS Một số hợp chất béo, dầu mỡ khó phân hủy sẽ tích tụ trong bông bùn và chuyển thành dạng

kỵ khí gây độc như metan

2.2.3.4 - Ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt

Khi trong nước thải hiện diện các chất hoạt động bề mặt như xà bông

hoặc thuốc tẩy, hoạt động của các ciliated protozoa và metazoa sẽ bị gián đoạn

hoặc ngừng hẳn Các bông bùn trưởng thành bị yếu và hoạt động của chúng bị ngưng trệ Khi đó, số lượng lớn bông bùn nhỏ được hình thành dưới dạng rời rạc hoặc phân tán Xà bông hay thuốc tẩy tác động mạnh đến tế bào bên dưới lớp bảo vệ lorica của trùng bánh xe và biểu bì của tế bào giun tròn di chuyển tự do

(free-living nematode) Do đó mà hoạt động của các động vật nguyên sinh này

chậm lại Các chất hoạt động bề mặt này còn làm tăng tổng chất rắn hòa tan (TSS), hiệu quả xử lý thấp, chi phí vận hành cao Ngòai ra, chúng còn làm thay

đổi sức căng bề mặt của nước Vì vậy, đôi khi cũng sinh ra bọt váng (foam) Một vài chất hoạt động bề mặt còn hiện diện như là độc tố

2.2.3.5 - Sự lên men của nước thải

Nuớc thải lên men hay sự hiện diện của quá nhiều acid và rượu đơn giản, hòa tan sẽ là môi trường sống cho các vi khuẩn dạng sợi với sự phát triển không như mong muốn Nồng độ sunfit 3 mg/l hay nhiều hơn, hoặc nồng độ của các acid, rượu hòa tan đơn giản khoảng 200 mg/l sẽ tạo điều kiện cho các vi khuẩn

dạng sợi sinh sôi như : Beggiatoa.sp, Microthrix parvicella, thiothirx sp, và loại

021N (Michael H.Gerardi)

2.2.3.6 - Nhu cầu oxy

Trong thực tế, hiệu suất truyền oxy từ khí đến lỏng tương đối thấp vì chỉ lượng nhỏ oxy được cung cấp cho vi sinh vật Khi oxy bị giới hạn, các vi sinh vật dạng sợi sẽ chiếm ưu thế, làm bùn hoạt tính trở nên khó lắng, tạo khối bùn Nên duy trì DO trong bể 1,5 - 2 mg/l DO cao (> 2 mg/l) có thể cải thiện tốc độ nitrat hóa, trong đó tải lượng BOD cao Giá trị DO > 4 mg/l không cải thiện hoạt động đáng kể, trong khi chi phí làm thoáng tăng đáng kể Thông thường, khi chỉ khử BOD, nhu cầu oxy sẽ từ 0,9 – 1,3 kg O2/kg BOD cho SRT từ 5 - 20 ngày (Metcalf & Eddy)

Khi nồng độ oxy trong bể aeroten <1 mg/l kéo dài liên tục trong 10 tiếng hoặc hơn sẽ làm gián đoạn hoạt động tạo bông bùn và làm mất bùn Ngoài ra khi nồng độ oxy trong nước bị giới hạn, hoạt động của trùng tiên mao sẽ chậm lại Các động vật nguyên sinh bị ảnh hưởng bởi nồng độ oxy : trùng tiên mao bơi tự do, trùng tiên mao di chuyển bằng cách bò và trùng tiên mao có cuống Hoạt động của động vật nguyên sinh sẽ giảm khi nồng độ oxy < 1 mg/l kéo dài liên tục trong vòng 36 tiếng Hoạt động của các động của các động vật nguyên sinh