Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía

Với tốc độ phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa như hiện nay thì nguồn nước ngày càng suy giảm cả về số lượng lẫn chất lượng do ảnh hưởng từ các hoạt động

KHOA KỸ THUẬT- CÔNG NGHỆ- MÔI TRƯỜNG

LÊ QUỐC ÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC

HIẾU KHÍ VỚI GIÁ THỂ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

An Giang, 5/2011

LÊ QUỐC ÂN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ LỌC SINH HỌC

HIẾU KHÍ VỚI GIÁ THỂ BÃ MÍA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths LÊ MINH THÀNH GVPB: Ths TRƯƠNG ĐĂNG QUANG

Ths NGUYỄN HỮU THANH

An Giang, 5/2011

SVTH: Lê Quốc Ân i

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin gửi lời cảm ơn đến Ths Lê Minh Thành, người đã

quan tâm giúp đỡ, cùng với những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất cho em hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô trong Bộ môn Môi trường & phát triển bền vững, Khoa Kỹ thuật – Công nghệ – Môi trường, trường Đại học An Giang và thầy cô quản lý khu thí nghiệm đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Em xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ, nhân viên trong phòng kỹ thuật của công ty Thuận An đã nhiệt tình giúp đỡ em trong việc thu mẫu, cung cấp những thông tin để em hoàn thành tốt đề tài này

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè đã động viên, cổ vũ, chia sẽ với em những khó khăn trong thời gian học tập cũng như làm khóa luận tốt nghiệp và em chân thành cảm ơn những bạn đã bỏ nhiều thời gian cùng em đi thu mẫu ở công ty Thuận An để phục vụ cho việc thí nghiệm Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người thân yêu nhất, đã giành cho em hết tình cảm và điều kiện, chia sẽ với em những lúc khó khăn nhất để em có thể hoàn thành tốt quá trình học tập 4 năm đại học và thời gian làm khóa luận tốt nghiệp

Long Xuyên, ngày 12 tháng 5 ngày 2011

Sinh viên thực hiện đề tài

Lê Quốc Ân

SVTH: Lê Quốc Ân ii

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2

2.1 Tổng quan về nước thải chế biến thủy sản 2

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh nước thải chế biến thuỷ sản 2

2.1.2 Tính chất và thành phần của nước thải chế biến thủy sản 2

2.1.3 Các chỉ tiêu hóa học, sinh hóa và lý học 3

2.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản 5 2.2.1 Phương pháp cơ học 5

2.2.2 Phương pháp hóa học và hóa lý 5

2.2.3 Phương pháp sinh học 6

2.3 Tổng quan về tình hình xử lý nước thải chế biến thủy sản 11

2.3.1 Hiện trạng xử lý nước chế biến thủy sản 11

2.3.2 Công nghệ xử lý nước thải chế biến thuỷ sản 12

2.4 Nguyên tắc hoạt động của bể Aeroten và bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước (Bioten) 14

2.4.1 Bể Aeroten 14

2.4.2 Bể lọc sinh học có vật liệu ngập trong nước 16

2.4.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu lọc 16

2.5 Màng vi sinh vật 18

2.5.1 Cấu tạo màng vi sinh vật 18

2.5.2 Hoạt động của màng 20

2.5.3 Tính chất của màng vi sinh vật 22

2.6 Ảnh hưởng của nước thải chưa qua xử lý 27

SVTH: Lê Quốc Ân iii

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 Đối tượng nghiên cứu 30

3.2 Thời gian nghiên cứu 30

3.3 Mục tiêu nghiên cứu 30

3.4 Nội dung nghiên cứu 30

3.5 Phương tiện và vật liệu nghiên cứu 30

3.6 Phương pháp nghiên cứu 31

3.6.1 Chuẩn bị vật liệu 31

3.6.2 Thu mẫu và bùn hoạt tính 31

3.6.3 Mô hình hực nghiệm 31

3.6.4 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 34

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 35

4.1 Kết quả của thí nghiệm xác định lượng bã mía tối ưu 35

4.2 Kết quả của thí nghiệm xác định thời gian lưu của các mô hình 38

4.3 Xác định nồng độ COD thích hợp cho mô hình lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía 39

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

5.1 Kết Luận 47

5.2 Kiến nghị 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 50

SVTH: Lê Quốc Ân iv

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Các thông số tiêu biểu của nước thải chế biến thuỷ sản 3 Bảng 2.2: Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào đặc trưng cho nước thải chế

biến thủy sản và TCVN 5945:2005 12

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn xây dựng (TCXD 51-84) lượng bùn của bể Aeroten

tương ứng với hàm lượng BOD 20 của nước thải 15

Bảng 2.4: Ảnh hưởng của nước thải chưa xử lý đến môi trường 27 Bảng 4.1: Kết quả đo COD đầu vào và COD đầu ra của bình 10g/l trong thời

gian thích nghi từ ngày 19/3/2011 đến ngày 14/4/2011 35

Bảng 4.2: Kết quả đo COD đầu vào và COD đầu ra của bình 20g/l trong thời

gian thích nghi từ ngày 19/3/2011 đến ngày 14/4/2011 35

Bảng 4.3: Kết quả đo COD đầu vào và COD đầu ra của bình 30g/l trong thời

gian thích nghi từ ngày 19/3/2011 đến ngày 14/4/2011 36

Bảng 4.4: Kết quả đo COD đầu vào và COD đầu ra của bình 40g/l trong thời

gian thích nghi từ ngày 19/3/2011 đến ngày 14/4/2011 36

Bảng 4.5: So sánh hiệu suất xử lý COD giữa các bình trong thời gian thích

nghi từ ngày 19/3/2011 đến ngày 14/4/2011 36

Bảng 4.6: Kết quả đo nồng độ COD (mg/l) và hiếu suất xử lý (%) của bình 30

Bảng 4.10: Kết quả xác định hiệu suất tải trọng xử lý của mô hình lọc sinh

học hiếu khí với giá thể bã mía 42

SVTH: Lê Quốc Ân v

DANH SÁCH HÌNH VÀ SƠ ĐỒ

Hình 3.1: Cấu tạo màng vi sinh vật 19

Hình 3.2: Hoạt động của màng vi sinh vật 20

Hình 3.1: Mô hình lọc sinh học hiếu khí tĩnh 32

Hình 3.2: Mô hình lọc sinh học hiếu khí tĩnh 33

Hình 4.1: Đồ thị so sánh hiệu suất xử lý COD giữa các mô hình 37

Hình 4.2: Đồ thị thể hiện hiệu quả xử lý COD của mô hình lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía sau 72 giờ 39

Hình 4.3: Đồ thị thể hiện hiệu quả xư lý COD của mô hình lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía trên các nồn độ khác nhau 41

Hình 4.4: Đồ thị thể hiện sự thay đổi tải trọng xử lý (kgCOD/m 3 ngđ) của mô hình lọc sinh học hiếu khí theo thời gian 43

Hình 4.5: Đồ thị thể hiện sự thay đổi tải trọng xử lý (kgCOD/kg bã mía ngđ) của mô hình lọc sinh học hiếu khí theo thời gian 44

Hình 4.6 và 4.7: bùn dính bám và phát triển trên bã mía sau 1 tháng 45

Hình 4.8: Mẫu nước sau khi qua mô hình có màu trong và ít cặn lơ lửng hơn so với mẫu nước ở cuối bể Aeroten của Thuận An 46

Sơ đồ 2.1: Phân loại các phương pháp xử lý hiếu khí 7

Sơ đồ 2.2: Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật 8

Sơ đồ 2.3: Phân loại các phương pháp xử lý kỵ khí 8

Sơ đồ 2.4: Công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản 13

Sơ đồ 3.1: Mô hình lọc sinh học hiếu khí tĩnh 32

Sơ đồ 3.2: Mô hình lọc sinh học hiếu khí động 33

SVTH: Lê Quốc Ân 1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá đối với con người và sinh vật

Vì nó đóng vai trò rất quan trọng đối với sự tồn tại và duy trì sự sống của chúng ta Với tốc độ phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa như hiện nay thì nguồn nước ngày càng suy giảm cả về số lượng lẫn chất lượng do ảnh hưởng từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt của người dân Các dòng sông ngày càng ô nhiễm gây ảnh hưởng đến hệ thủy sinh cũng như sức khỏe của người dân trực tiếp sử dụng nguồn ngước này

Nói đến An Giang người ta sẽ nghĩ đến “cây lúa” và “con cá”, vì đây là một trong những ngành thế mạnh của tỉnh Bên cạnh việc phát triển nông nghiệp thì An Giang cũng chú trọng đầu tư cho ngành công nghiệp chế biến và đặc biệt là mặt hàng thủy sản Hiện nay có rất nhiều nhà máy chế biến thủy sản trên địa bàn tỉnh An Giang và tập trung chủ yếu nằm dọc theo sông Hậu Lợi ích về mặt kinh tế của ngành chế biến thủy sản là không nhỏ, nó góp phần tăng kim ngạch xuất khẩu cho tỉnh An Giang nói riêng và Việt Nam nói chung, đồng thời cũng giúp giải quyết vấn đề việc làm cho lao động địa phương Tuy nhiên, các nhà máy chế biến thủy sản này cũng thải một lượng lớn nước thải sản xuất chưa qua xử lý xuống sông, kênh – rạch gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường nước cũng như đời sống của người dân xung quanh

Trên thực tế thì mỗi công nghệ đều có ưu và khuyết điểm nhưng để xử lý nước thải thủy sản đạt tiêu chuẩn xả thải là cả một vấn đề khó khăn Với mục tiêu là đa dạng các phương pháp xử lý và để có nhiều lựa chọn hơn cho việc

xử lý nước thải thủy sản Ở đề tài này tôi xin tập trung nghiên cứu xử lý nước

thải chế biến thủy sản bằng công nghệ lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía, với mong muốn là có thể áp dụng vào thực tế để thay thế cho bể Aeroten trong các hệ thống xử lý nước thải thủy sản như hiện nay

SVTH: Lê Quốc Ân 2

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về nước thải chế biến thủy sản

2.1.1 Nguồn gốc phát sinh nước thải chế biến thuỷ sản

Nước thải của một số xí nghiệp chế biến thủy sản gồm có: Nước sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt

 Nước thải sản xuất là loại nước được dùng để rửa nguyên liệu trong dây chuyền chế biến thuỷ sản

 Nước thải vệ sinh công nghiệp là loại nước dùng để vệ sinh cho công nhân trước và sau khi vào ca làm việc, nước dùng để rửa dụng cụ chế biến, thiết bị, máy móc và sàn nhà phân xưởng mỗi ngày,

 Nước thải sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên trong các xí nghiệp Đây cũng là lượng nước thải đáng kể vì trong xí nghiệp chế biến thủy sản có

số lượng công nhân khá đông, do đó nhu cầu sử dụng nước cho các hoạt động

sinh hoạt là rất cao (Bùi Thị Minh Nhựt, 2009)

2.1.2 Tính chất và thành phần của nước thải chế biến thủy sản

Thành phần và tính chất của nước thải công nghiệp rất đa dạng, phụ thuộc vào từng quá trình sản xuất, vào trình độ và bản chất dây chuyền công nghệ Ví dụ như nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy; từ các xí nghiệp thuộc da có chứa các chất hữu cơ, tanin có màu nâu đen và đặc biệt là có mặt của kim loại nặng cùng với sunfua,… Nước thải công nghiệp thường mang tính chất đặc trưng của quá trình sản xuất Tuy nhiên, nước thải còn phụ thuộc vào loại nhà máy – xí nghiệp, quy mô và trình độ công nghệ cũng như mức độ tái sử dụng nước và

các biện pháp xử lý nước thải của từng nhà máy (Lương Đức Phẩm, 2001)

Nước thải từ các cơ sở chế biến thuỷ sản có chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao gồm protein, dầu mỡ, chất rắn lơ lửng, photphat, nitrat, phế phẩm của nguyên liệu chế biến như máu cá, nội tạng, ruột cá, xương cá, Nước thải từ các nhà máy chế biến thuỷ sản có mức độ ô nhiễm cao hơn nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép (TCVN 5945:2005), ví dụ như BOD5 cao hơn 10 ÷ 20 lần

so với tiêu chuẩn cho phép, COD cao hơn 9 ÷ 15 lần, tổng lượng Nitơ cao hơn khoảng 3 ÷ 7 lần, tổng lượng Photpho vượt chuẩn nhưng không nhiều và

lượng dầu mỡ cao hơn 100 lần giới hạn B (Viện Công Nghệ Môi Trường, 2009)

SVTH: Lê Quốc Ân 3

Bảng 2.1: Các thông số tiêu biểu của nước thải chế biến thuỷ sản

STT Thông số ô nhiễm Đơn vị Phạm vi giá trị TCVN 5945:2005

Nguồn: Viện Công Nghệ Môi Trường, 2009

2.1.3 Các chỉ tiêu hóa học, sinh hóa và lý học

Chỉ tiêu pH

pH là chỉ tiêu đặc trưng cho tính axit hoặc bazơ của nước và tính bằng nồng độ của ion hydro (pH = -lg[H+]) pH là chỉ tiêu quan trọng nhất trong quá trình sinh hóa bởi tốc độ của quá trình này phụ thuộc vào sự thay đổi của pH Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thường hoạt động tốt trong khoảng pH = 6,5 – 8,5 Đối với nước thải thủy sản pH giao động trong khoảng 5,5 – 9, do đó phải khống chế cho pH của nước thải nằm trong khoảng thích hợp với phương pháp xử lý sinh học

Nhu cầu oxy hóa học (COD)

Nhu cầu oxy hóa học hay COD (Chemical Oxygen Demand) là lượng

oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong nước thải, kể cả các chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học và được xác định bằng phương pháp Kali Dicromat (K2Cr2O7) trong môi trường axít sulfuric và chất xúc tác bạc sulfat (Ag2SO4) Đơn vị đo của COD là mgO2/l hay đơn giản là mg/l (Lâm Minh Triết, 2006)

SVTH: Lê Quốc Ân 4

 Nhu cầu oxy sinh học (BOD)

Nhu cầu oxy sinh học hay BOD (Biologycal Oxygen Demand) là một

trong những thông số cơ bản đặc trưng cho mức độ ô nhiễm của nước thải bởi các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa sinh hóa (các chất hữu cơ dễ bị phân hủy) BOD được xác định bằng lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ dạng hòa tan, dạng keo và một phần lơ lửng với sự tham gia của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí.Đơn vị tính của BOD là mgO2/l hay đơn giản là mg/l (Lâm Minh Triết, 2006)

 Chỉ tiêu Nitơ

Nitơ có trong nước thải ở dạng liên kết hữu cơ và vô cơ Trong nước thải thủy sản, phần lớn các liên kết hữu cơ là các chất có nguồn gốc protit, nguyên liệu thừa,… Còn các liên kết vô cơ gồm các dạng khử NH4

+

, NH3 và dạng oxy hóa NO2

( Lâm Minh Triết, 2006).

 Đặc tính sinh học của nước thải

Các nhóm vi sinh vật chủ yếu tìm thấy trong nước thải là các vi khuẩn,

nấm, protozoa, vi thực vật, động vật và virút Hầu hết các vi sinh vật (vi khuẩn

và protozoa) có lợi trong xử lý nước thải Tuy nhiên, một số vi khuẩn gây bệnh, nấm, protozoa và virút tìm thấy trong nước thải cũng được quan tâm đặc

biệt do tính độc hại của chúng

Vi khuẩn chỉ thị : các vi sinh vật gây bệnh thường được đào thải bởi con

người từ hệ thống tiêu hóa Nguồn bệnh lan truyền trong nước thường là bệnh tiêu chảy, thương hàn, sốt thương hàn, lỵ, Nói chung, nồng độ vi khuẩn gây bệnh trong nước thải có nồng độ rất thấp và rất khó nhận biết Hiện nay, một

số loại vi khuẩn như tổng Coliforms (TC), Coliform của phân (FC) và khuẩn

nhiễm trùng phân (FC) được sử dụng làm vi sinh vật chỉ thị cho nguồn nước

và nước thải bị ô nhiễm nguồn bệnh

 Chỉ tiêu lý học

Chất rắn tổng cộng trong nước thải gồm chất rắn không tan hoặc lơ lững

và các hợp chất hữu cơ đã hòa tan trong nước Các chất rắn có thể nổi lên trên mặt nước hay lắng xuống đáy và có thể biến thành bùn trong các công trình xử

lý Một số chất rắn có khả năng lắng rất nhanh tuy nhiên các chất rắn lơ lửng

có kích thước hạt keo thì lắng rất chậm hoặc không lắng được Các chất rắn có

SVTH: Lê Quốc Ân 5

thể lắng được sẽ bị loại bỏ bởi quá trình lắng và thường được tính bằng đơn vị

mg/l (Lâm Minh Triết, 2006)

2.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản

Nước thải nói chung có chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau, đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau Chúng ta có thể chia các phương pháp xử lý như sau:

- Phương pháp cơ học

- Phương pháp hoá học và hoá lý

- Phương pháp sinh học

2.2.1 Phương pháp cơ học

Quá trình xử lý cơ học (tiền xử lý) thường áp dụng ở các giai đoạn đầu

của công trình Tùy vào tính chất, hàm lượng, lưu lượng nước thải, mức độ làm sạch mà ta áp dụng các quá trình:

 Chắn rác: Các chất hữu cơ có kích thước lớn được loại bỏ bằng các

song/lưới chắn rác

 Điều hòa: Điều hòa lưu lượng trên dòng thải và ngoài dòng thải

 Lắng: Các chất lơ lững và bông cặn được loại bỏ do trọng lực

 Tuyển nổi: Tạo ra các bọt khí kết hợp các hạt nhỏ đưa lên mặt nước

và loại bỏ

 Khử khí: Nước và không khí tiếp xúc nhau trong các dòng nước chảy

để đuổi amoiac và một số khí khác

 Lọc: SS và độ đục được loại bỏ

 Quá trình màng: Bao gồm MF(Microfiltration), UF(Ultrafiltrition),

NF(Nanofiltrition), RO(Reverse Osmosis) loại bỏ các chất rắn hòa tan

 Bay hơi và tách khí: Phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, gió…

2.2.2 Phương pháp hóa học và hóa lý

Các phương pháp hóa học và hóa lý là các quá trình hóa học và hóa lý diễn ra giữa chất bẩn với tác chất được thêm vào Các phản có thể diễn ra là: phản ứng trung hòa, phản ứng kết tủa, keo tụ, phản ứng phân hủy chất độc hại,…

Xử lý hóa học và hóa lý là giai đoạn cần thiết trước khi tiến hành xử lý sinh học Tuy nhiên, trong một số trường hợp, xử lý hóa học và hóa lý có thể tiến hành sau xử lý sinh học nhằm mục đích xử lý triệt để (xử lý bậc cao)

SVTH: Lê Quốc Ân 6

 Trung hòa và kết tủa: Đưa pH về mức thích hợp, tách photphat và

nâng cao hiệu quả tách cặn lơ lửng ở bể lắng đợt 1

 Keo tụ tạo bông: Chất hữu cơ, SS, photphat và độ đục bị loại bỏ

khỏi nước

 Hấp phụ: Dùng để khử các chất độc như chlorine và các chất hữu cơ

khó phân hủy

 Khử trùng: tiêu diệt chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh, các hoá chất

được sử dụng để khử trùng như Chlorine, Ozone, tia cực tím,

2.2.3 Phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng để tạo

ra năng lượng, xây dựng tế bào sinh trưởng và sinh sản do đó khối lượng sinh

khối được tăng lên (Lương Đức Phẩm, 2001)

Phương pháp sinh học thường được sử dụng để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ Đối với các chất vô cơ chứa trong nước thải thì phương pháp này dùng để khử chất sulfit, muối amon, nitrat – tức là các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn sẽ là: khí CO2, nitơ, nước, ion sulfate, sinh khối… Cho đến nay, người ta đã biết nhiều loại vi sinh vật có thể phân hủy tất

cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và rất nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo Giải pháp xử lý bằng biện pháp sinh học có thể được xem là tốt nhất trong các phương pháp trên với các lý do sau:

- Chi phí thấp

- Xử lý được N-NH3

- Tính ổn định cao

Phương pháp sinh học hiếu khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí là dựa trên nhu cầu oxy cần cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí có trong nước thải hoạt động và phát triển Quá trình này của vi sinh vật được gọi chung là hoạt động sống, gồm hai quá trình: dinh dưỡng sử dụng các chất hữu cơ có nguồn nitơ và photpho cùng những ion kim loại khác với mức độ vi lượng để xây dựng tế bào mới, phát triển tăng sinh khối, phục vụ cho sinh sản; phân hủy các chất hữu cơ còn lại thành CO2 và nước Quá trình sau là quá trình phân hủy ở dạng oxy hóa các

SVTH: Lê Quốc Ân 7

hợp chất hữu cơ, giống như trong quá trình hô hấp ở động vật bậc cao Cả hai quá trình dinh dưỡng và oxy hóa của vi sinh vật ở trong nước thải đều cần oxy

Sơ đồ 2.1: Phân loại các phương pháp xử lý hiếu khí

Nguồn: Lương Đức Phẩm, 2001

Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng có thể được chia thành 4 giai đoạn khác biệt như sau (thể hiện ở hiện ở sơ đồ 2.2):

 Giai đoạn phát triển chậm (1): giai đoạn phát triển chậm thể hiện

khoảng thời gian cần thiết để vi khuẩn làm quen với môi trường và bắt đầu

phân đôi

 Giai đoạn tăng trưởng về số lượng theo Logarit (2): trong suốt thời

kỳ này, các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản và khả năng thu nhận và đồng hóa thức ăn (tốc độ tăng trưởng theo phần trăm là

không đổi)

 Giai đoạn phát triển ổn định (3): Ở giai đoạn này, số lượng vi khuẩn

quan sát trong mẻ ổn định là do: vi khẩn đã ăn hết chất nền và chất dinh

dưỡng, số vi khuẩn mới sinh ra vừa đủ bù cho số vi khuẩn đã chết đi

 Giai đoạn vi khuẩn tự chết (4): Trong suốt giai đoạn này, tốc độ tự chết của vi khuẩn vượt xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới

Phương pháp hiếu khí

Sinh trưởng

lơ lửng

Sinh trưởng dính bám

Hiếu khí tiếp xúc

Đĩa quay sinh học Lọc hiếu

khí

SVTH: Lê Quốc Ân 8

Sơ đồ 2.2: Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Nguồn: Trần Văn Nhân, 2006

Phương pháp sinh học kỵ khí

Quá trình sinh trưởng kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ thành những sản phẩm CH4, CO2,… nhờ vi sinh vật trong điều kiện không có oxy Từ những năm 1970 quá trình này được ứng dụng rộng rãi vì những ưu điểm của nó như: Khả năng chịu tải trọng cao, thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước, nên tạo được sinh khối lớn trong bể, chi phí xử

lý thấp, hệ thống đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn, kỵ khí tiếp xúc, … Tạo ra năng lượng (khí sinh học)

Sơ đồ 2.3: Phân loại các phương pháp xử lý kỵ khí

Vách ngăn

Lọc kỵ khí

Bể UASB

SVTH: Lê Quốc Ân 9

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số khuyết điểm:

- Nhạy cảm với môi trường: nhiệt độ, pH, ánh sáng,…

- Kém bền vững trong xử lý

- Khả năng thích nghi chậm

- Thời gian tạo sinh khối dài

- Phát sinh mùi hôi

Để đảm bảo cho một công trình xử lý kỵ khí đạt hiệu quả cao nhất, cần lưu ý hai yếu tố quan trọng:

- Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt

- Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với vi khuẩn

Quá trình phân hủy kỵ khí vật chất hữu cơ là một quá trình diễn biến sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt hay còn gọi là chất xúc tác Có thể biểu diễn tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí theo phản ứng sau:

Vật chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

 Giai đoạn thủy phân

Nước thải ô nhiễm hữu cơ chứa nhiều polymer hữu cơ phức tạp không

tan như protein, chất béo, carbon hydrat, cellulose, lignin… Trong giai đoạn này, những polymer hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào

(extracellular enzymes) do vi sinh vật thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra

để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ hoà tan

Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hoá protein thành các acid amin, carbon hydrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu

cơ mạch dài Tuy nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer đơn giản có thể là bước giới hạn tốc độ trong quá

trình phân huỷ kị khí, khi phản ứng này xảy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ

 Giai đoạn acid hoá

Những hợp chất đơn giản được giải phóng từ phản ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hoá xa hơn thành acid acetic (acetate), H2 và CO2

Phân hủy

kỵ khí

SVTH: Lê Quốc Ân 10

nhờ vi khuẩn acetogenic (acetogenic bacterial) Các axit hữu cơ dễ bay hơi

sinh ra như là những sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với protein, chất béo, carbon hydrat, trong đó acid acetic, acid propionic, acid lactic là những sản phẩm chính

Chất nền  CO 2 + H 2 + acetate (phản ứng Acetogenic dehydrogenation) Chất nền  propionate + butyrate + ethanol

Sau đó, các propionate, butyrate sẽ được các vi khuẩn acetogenic

chuyển hoá xa hơn thành acetate CO2 và H2 cũng được giải phóng trong suốt quá trình dị hoá cacbon hydrat Ngoài ra, quá trình dị hoá carbon hydrat có thể

sinh ra methanol và các rượu đơn chức khác Một số loài vi khuẩn acetogenic

còn chuyển hoá H2 và CO2 thành acetate Các sản phẩm ở giai đoạn này phụ thuộc và sự hiện diện của hệ vi sinh và các yếu tố môi trường

 Giai đoạn methane hoá

Những sản phẩm của giai đoạn 2 cuối cùng được chuyển hoá thành

khí methane và những sản phẩm cuối khác bởi các vi khuẩn methane

(methanogenic bacteria) Nhìn chung tốc độ phát triển của vi khuẩn methane

chậm hơn các loài vi khuẩn ở giai đoạn thuỷ phân và acid hoá

Vi khuẩn mêtan sử dụng acid actic, methanol hay CO2 và H2 để sản xuất ra CH4 Trong đó axit acetic là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất, khoảng 70% CH4 được sinh ra từ acid acetic Lượng CH4 còn lại được tạo ra từ

CO2 và H2 Một vài chất nền khác cũng sử dụng cho việc tạo khí CH4 như acid formic, methanol… nhưng những chất này không quan trọng vì chúng không thường xuất hiện trong quá trình lên men kỵ khí

SVTH: Lê Quốc Ân 11

độ COD cao Vì vậy trong các hệ thống xử lý nước thải thủy sản hiện nay

thường sử dụng các công trình xử lý sinh học là chủ yếu

 Như đã nêu ở phần trên thì trong phương pháp sinh học có 2 dạng chính

là hiếu khí và kỵ khí Khi áp dụng vào thực tế phương pháp sinh học hiếu khí nổi bật hơn với các ưu điểm như dễ vận hành, không sinh khí gây mùi hôi,… Trên thực tế, người ta thường áp dụng các bể sinh học hiếu khí và điển hình là

bể Aeroten trong các hệ thống xử lý nước thải thủy sản

 Bể Aeroten được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thải nước thải thủy sản vì dễ vận hành, hiệu quả cao,… Tuy nhiên chi phí vận hành khá cao do phải sục khí liên tục, tuổi bùn không cao và dễ xảy ra hiện tượng nổi bùn do lượng vi sinh vật phát triển quá mức Để khắc phục những khuyết điểm trên tôi xin chọn công nghệ lọc sinh học hiếu khí với giá thể bã mía đối

với nước thải thủy sản

2.3 Tổng quan về tình hình xử lý nước thải chế biến thủy sản

2.3.1 Hiện trạng xử lý nước chế biến thủy sản

Ở Cần Thơ, hàng chục nhà máy chế biến thuỷ sản ở các khu công nghiệp cũng đổ trực tiếp nước thải ra sông mà chưa qua xử lý Chỉ riêng ở khu công nghiệp Bình Đức và Mỹ Tho (Tiền Giang) đã có hàng chục đơn vị hoạt động thải ra sông Tiền hàng trăm m3 nước thải mỗi ngày Trong thời gian gần đây hai nhà máy chế biến thuỷ sản công ty TNHH Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương (thuộc tập đoàn Nam Việt) đặt tại khu công nghiệp Thốt Nốt đã xả trực tiếp nước thải không qua xử lý xuống sông Hậu và kênh Rạp gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước cũng như ảnh hưởng đến sức khoẻ của người dân xung quanh nhà máy

Tại Cà Mau, tuy có 7/34 nhà máy có hệ thống xử lý nước thải, nhưng theo đánh giá của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Cà Mau thì các nhà máy này cũng chỉ xử lý để đối phó Vì vậy, hằng ngày các dòng sông ở đây phải tiếp nhận lượng nước thải từ các nhà máy này

An Giang cũng không ngoại lệ, các nhà máy còn xem nặng lợi ích kinh

tế nên không đầu tư hệ thống xử lý nước thải thích hợp hoặc có xây dựng nhưng chỉ hoạt động cầm chừng để đối phó với các nhà quản lý môi trường Đến nay qua kết quả kiểm tra đã có 13/16 nhà máy chế biến thủy sản trên địa bàn tỉnh xây dựng xong hệ thống xử lý nước thải Đặc biệt là các đơn vị tại cụm công nghiệp Mỹ Quý đã hoàn thành hệ thống xử lý nước thải đúng theo

SVTH: Lê Quốc Ân 12

công suất hoạt động, không còn tình trạng xả nước thải trực tiếp ra sông, gây ô nhiễm Tuy nhiên, theo Sở Tài nguyên & môi trường tỉnh, một số doanh nghiệp còn xem nặng lợi ích kinh tế, sợ tăng chi phí sản xuất nên dù có hệ thống xử lý nước thải nhưng không vận hành thường xuyên

2.3.2 Công nghệ xử lý nước thải chế biến thuỷ sản

Căn cứ vào quy trình chế biến cho thấy nguồn gốc nước thải sản xuất gây

ô nhiễm của nhà máy chủ yếu từ các công đoạn rửa nguyên liệu, sơ chế và rửa máy móc thiết bị, nhà xưởng sau mỗi ca sản xuất

Khảo sát và phân tích mẫu nước thải chưa qua hệ thống xử lý tại một số nhà máy chế biến thuỷ sản cho thấy hàm lượng ô nhiễm hữu cơ (BOD) cao

gấp 20 - 30 lần; hàm lượng vi sinh (Coliform) vượt gấp ngàn lần và hàm lượng

chất rắn lơ lửng trong nước (SS) vượt hơn 100 lần tiêu chuẩn nước thải công nghiệp cho phép thải (TCVN 5945:2005 cột A) Kết quả phân tích nước thải đầu vào và TCVN 5945:2005 cột A được thể hiện qua bảng 2.2:

Bảng 2.2: Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu ra đặc trưng cho nước thải chế

Nguồn: Nguyễn Văn Vinh, 2007

Như vậy, yêu cầu đối với hệ thống xử lý nước thải phải đạt được hiệu suất loại bỏ tối thiểu 90% chất rắn lơ lửng, 97 – 98% đối với COD, 96-98% BOD và hơn 99% vi sinh có hại

SVTH: Lê Quốc Ân 13

Công nghệ xử lý: Quy trình xử lý nước thải lựa chọn theo phương án xử

lý 3 bậc nhằm hạn chế đến mức tối đa hàm lượng chất thải như sau

- Xử lý sơ bộ: tách rác, lắng cát, điều hoà, tách dầu mỡ

- Xử lý bậc 1: Xử lý kỵ khí trong bể UASB

- Xử lý Bậc 2: Xử lý hiếu khí trong bể Aeroten

- Xử lý Bậc 3: keo tụ, lắng lọc, khử trùng

Bùn lắng tụ được hút vào ngăn chứa bùn, bể phân huỷ bùn và cuối cùng

được hút thải vào bãi rác hoặc dùng để bón cây

Sơ đồ 2.4: Công nghệ xử lý nước thải chế biến thủy sản

Nguồn: Nguyễn Văn Vinh, 2007

Mô tả công nghệ

Nước thải từ quá trình sản xuất được đưa về bể thu gom và cân bằng

nước thải Trước khi vào bể này nước thải sẽ qua lưới chắn rác nhằm loại bỏ các chất lơ lửng có kích thước lớn hơn 2 mm như: giấy, gỗ, nilông…Tại bể thu gom và cân bằng, nhờ quá trình khuấy trộn khí từ máy thổi khí, nước thải được điều hoà về lưu lượng và thành phần các chất ô nhiễm như: COD, BOD,

SS, pH Đồng thời máy thổi khí cung cấp oxy vào nước thải nhằm tránh sinh

Nước

thải

Chú thích: BTN: Bể tuyển nổi, BL: Bể lắng, BĐH: Bể điều hòa, NKH:Ngăn khử trùng

Nước sau xử lý (đạt TCVN 5945:2005, loại A)

Bùn hoàn lưu

Ban công trình đô thị Bể chứa bùn

Bể UASB

Bể Aeroten BĐH

BL

NKH

SVTH: Lê Quốc Ân 14

mùi hôi thối tại đây và làm giảm khoảng 20-30% hàm lượng COD, BOD có

trong nước thải

Từ bể cân bằng, nước thải được bơm với một lưu lượng cố định vào

bể phản ứng kỵ khí UASB Tại bể UASB, các vi sinh vật ở dạng kỵ khí sẽ phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải thành các chất vô cơ ở dạng đơn giản và khí biogas (CO,CH4, H2S, NH3 …) theo phản ứng sau:

Chất hữu cơ + Vi sinh kỵ khí → CH 4 + H 2 S + Sinh khối mới

Trong bể phản ứng UASB có bộ phận tách 03 pha: khí biogas, nước

thải và bùn kỵ khí Khí biogas được thu gom và phát tán vào môi trường qua ống khói Bùn kỵ khí được tách ra và quay trở lại bể phản ứng, nước thải sau khi được tách bùn và khí được dẫn sang bể xử lý hiếu khí (Aeroten) Hiệu suất

xử lý của bể UASB tính theo COD, BOD đạt khoảng 60 - 72%

Tại bể Aeroten diễn ra quá trình sinh học hiếu khí được duy trì nhờ

không khí cấp từ máy thổi khí Tại đây, các vi sinh vật ở dạng hiếu khí (bùn hoạt tính) sẽ phân huỷ các chất hữu cơ còn lại trong nước thải thành các chất

vô cơ ở đơn giản như: CO2, H2O…theo phản ứng sau:

Chất hữu cơ + Vi sinh vật hiếu khí → H 2 O+CO 2 + Sinh khối mới

Hiệu suất xử lý của bể làm thoáng tính theo COD, BOD đạt khoảng 90

- 95% Từ bể Aeroten, nước thải được dẫn sang bể keo tụ và lắng, tại đây diễn

ra quá trình phân tách giữa nước thải và bùn hoạt tính Bùn hoạt tính lắng xuống đáy, nước thải ở phía trên được dẫn qua bể khử trùng nhằm diệt các vi khuẩn còn lại Bùn hoạt tính (bùn hiếu khí) ở đáy bể lắng được thu gom về bể thu bùn và một phần được bơm tuần hoàn về bể Aeroten nhằm duy trì hàm lượng vi sinh vật, một phần bùn dư được định kỳ bơm xả về bể chứa bùn Bùn được phơi và hút định kỳ đem vào bãi rác tập trung hoặc làm phân bón

(Nguyễn Văn Vinh, 2007)

2.4 Nguyên tắc hoạt động của bể Aeroten và bể lọc sinh học có vật liệu ngập nước (Bioten)

2.4.1 Bể Aeroten

Khi nước thải vào bể Aerotank các bông bùn hoạt tính được hình thành

mà hạt nhân của nó là các phân tử cặn lơ lửng Các vi khuẩn hiếu khí đến cư trú, phát triển cùng với các hoạt động nguyên sinh, nấm, xạ khuẩn,… Tạo nên các bông màu nâu sẫm, có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan, keo và

SVTH: Lê Quốc Ân 15

Chất hữu cơ + Bùn hoạt tính +O 2

Tăng sinh khối bùn hoạt tính

CO 2 , H 2 O, NO 3 + , SO 4 2- , PO 4

3-Thủy phân oxy hóa Tổng hợp

chất hữu xơ không hòa tan phân tử nhỏ Vi khuẩn và vi sinh vật sống nhờ chất nền (BOD), các chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành tế bào mới Trong bể Aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, chúng được tách ra tại bể lắng 2 và sẽ được hoàn

lưu một phần ở đầu bể Aeroten (Trần Đức Hạ, 2006)

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn xây dựng (TCXD 51-84) lượng bùn của bể Aeroten

tương ứng với hàm lượng BOD 20 của nước thải

Nguồn: Lâm Minh Triết, 2006

Trong các bể xử lý sinh học thì các vi khuẩn đóng vai trò rất quan trọng

vì nó sẽ phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Trong các bể bùn hoạt tính mọt phần chất hữu cơ sẽ bị các bi khuẩn hiếu khí sử dụng để lấy năng lượng tổng hợp các chất hữu cơ còn lại Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các

giống như Pseudomnas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, … và 2 loại vi khuẩn Nitrat hóa là Nitrosomonas, Nitrobacter

Aerotank có tái sinh bùn

101 – 150 1,5 3,4 -

151 – 200 1,8 3,7 -

>200 1,8 – 3 3 – 5 -

SVTH: Lê Quốc Ân 16

2.4.2 Bể lọc sinh học có vật liệu ngập trong nước

Bể lọc sinh học có vật liệu ngập trong nước hoạt động theo nguyên lý

dính bám và công trình này thường được gọi là Bioten có cấu tạo gần giống như bể lọc sinh học và Aeroten Vật liệu lọc thường được đóng thành khối và

để ngập trong nước Khi được cấp với áp lực thấp và dẫn vào bể cùng chiều hoặc ngược chiều với nước thải Khi nước qua khối vật liệu lọc thì BOD bị khử và NH4

dựng bể lắng đợt 2 (Lâm Minh Triết, 2006)

Trong dòng nước thải các vi sinh vật sẽ bám trên bề mặt các giá thể làm bằng chất rắn và chúng tạo thành các màng (màng sinh học) Các màng này sẽ dầy lên và tạo thành khối vi sinh vật dính bám và cố định trên vật liệu làm giá thể Màng này có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải khi tiếp xúc với chúng, ngoài ra chúng có thể hấp thụ các chất lơ lửng hoặc trứng giun, sán,… Màng sinh học được tạo thành chủ yếu từ các vi khuẩn hiếu khí

và còn có vi khuẩn tùy tiện

Xử lý ước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên khả năng phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn của hệ vi sinh trong nước Các vi sinh vật này là thể dị dưỡng hoại sinh và các thể tự dưỡng (chủ yếu là thể dị dưỡng) Chúng vừa phân hủy oxy hóa cơ chất đến sản phẩm cuối cùng là nước khí CO2 ,cùng với các khí khác hoặc khoáng hóa các hợp chất nitơ, phospho và đồng thời chúng đồng hóa các chất hữu cơ như NH4

+

, PO4 3-

để sinh trưởng Sinh khối của vi sinh vật tăng sinh ra các enzim thủy phân và oxy hóa khử làm tăng hoạt tính

của quần thể vi sinh vật trong nước thải (Lâm Minh Triết, 2006)

2.4.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu lọc

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của

vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn Chúng khoáng hóa cá chất hữu cơ nhiễm bẩn thành những chất vô cơ, các khí đơn giản và nước Vi sinh vật trong một bể xử

lý nước thải có 2 hình thức phát triển là sinh trưởng lơ lững và sinh trưởng

SVTH: Lê Quốc Ân 17

dính bám Ở hình thức thứ nhất, vi sinh vật duy trì ở dạng phân tán sinh khối đồng đều trong nước thải đang xử lý Còn ở hình thức thứ hai, sinh khối kết thành màng bám vào các vật chất gọi là giá thể

Một trong những biện pháp chủ yếu trong việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học là nâng cao mật độ vi sinh vật trong hệ thống Xử lý nước thải bằng quá trình sinh trưởng lơ lững có một nhược điểm

là khó duy trì được mật độ vi sinh vật cao Nguyên nhân là nước thải sau khi qua bể xử lý sinh học mang theo một lượng lớn vi sinh vật Nhưng sinh trưởng dính bám thì khắc phục được nhược điểm trên vì phần lớn vi sinh vật bám trên các giá thể nên bị cuốn trôi rất ít

Những vật liệu được sử dụng làm giá thể thường là các vật liệu trơ như cát, sỏi, gốm hoặc chất dẻo Tuy nhiên, các vật liệu hiện dùng phổ biến để làm giá thể thường có những nhược điểm như đắt tiền, chiếm diện tích, dễ gây tắc nghẽn dòng chảy Nhằm khắc phục các nhược điểm trên tôi xin chọn vật liệu lọc là bã mái để nghiên cứu khả năng xử lý nước thải thủy sản của công ty Thuận An

Trên thực tế thì bã mía đã được ứng dụng để xử lý nước thải chăn nuôi ở tỉnh Sóc Trăng do một nhóm học sinh Lý Minh Trung, Nguyễn Hữu Tài, Lê Thụy Quỳnh Như, trường THPT An Lạc Thôn, huyện Kế Sách, tỉnh Sóc Trăng

đã nghiên cứu và sử dụng các vật liệu sẵn có ở địa phương là xơ dừa và bã mía

để làm vật liệu xử lý nước thải trong các hộ chăn nuôi

Nhóm tác giả đã khảo sát 30 hộ gia đình chăn nuôi ở 2 xã An Lạc Thôn, Xuân Hòa và áp dụng thử nghiệm việc xử lý chất thải trước khi chảy ra ao cá

và sông, rạch Nhóm đã thu gom bã mía từ các xe bán nước mía quanh trường

và khu vực chợ, sau đó phơi thật khô Với các hộ nuôi cá, nhóm tạo một cái hố ngay sau nơi thoát chất thải, dùng nilon trải bên dưới tránh hiện tượng nước thải ngấm xuống đất gây ô nhiễm Với những hộ không nuôi cá, nhóm dùng cây sậy hoặc tràm đóng thành hàng rào chắn một đầu của ao, nơi mà nước thoát ra sông, rạch với khoảng cách 1,5m Sau đó, bã mía được thả xuống hố rồi dùng nẹp tre hay gạch to dằn lại tránh để bã mía nổi lên trong giai đoạn đầu Sau 5 ngày, nước sau khi lọc không còn ô nhiễm và có thể dùng để nuôi

cá rất tốt hoặc đưa thẳng vào hệ thống các sông, rạch Kết quả khảo nghiệm cho thấy ưu điểm của bã mía là có khả năng thu và lọc các chất thải tốt hơn xơ dừa Nước qua xử lý đã được kiểm nghiệm, đạt yêu cầu tiêu chuẩn Việt Nam

về nước mặt

SVTH: Lê Quốc Ân 18

Trên cơ sở tập quán hoạt động trong chăn nuôi của người dân, kết hợp với khả năng lọc các chất thải của bã mía, nhóm đề xuất mô hình Vườn - Ao - Chuồng - Biogas nhằm tái sử dụng chất thải trong chăn nuôi Vật liệu lọc sau khi đã hết khả năng xử lý chất thải để cung cấp khí đốt và làm phân bón, cải tạo được đất trồng thay vì sử dụng phân bón hóa học Phân thải từ các chuồng, trại chăn nuôi dùng ủ biogas cung cấp khí đốt cho gia đình Sau một thời gian (một lứa nuôi) các chất thải trong hầm ủ đem ủ oai để bón cho cây trồng Bã mía sau khi dùng làm hệ thống lọc cũng có thể ủ làm phân bón cho cây trồng Nước trong các ao sau khi lọc có thể nuôi trồng thủy sản, tưới cho cây trồng

(Hoàng Minh Nguyệt, 2009)

2.5 Màng vi sinh vật

Quá trình màng vi sinh vật bám dính là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Trong quá trình này màng vi sinh vật cố định dính bám

và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh

học (biofilms) Trong quá trình hoạt động vi sinh vật tiếp xúc với nước thải và

tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khoáng chất) có trong nước thải và làm sạch nước

2.5.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm:

- Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật

- Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm

Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film)

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer

ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong

quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu huỷ tế bào có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins

SVTH: Lê Quốc Ân 19

Hình 3.1: Cấu tạo màng vi sinh vật

Trong khi đó, quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số vi khuẩn như methane hoá sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đó sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng hình thành một ma trận filamentous Với cấu trúc

lỗ xốp có khả năng lưu giữ các vi sinh kỵ khí với khả năng dính bám kém bên

trong tốt hơn

Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền mà không quan tâm tới lớp màng bề mặt Nhưng nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ trống theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu, quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ

SVTH: Lê Quốc Ân 20

chất, chất nhận điện tử (chất oxy hoá)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng

2.5.2 Hoạt động của màng

Hình 3.2: Hoạt động của màng vi sinh vật

 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng),… cần thiết cho hoạt động của

vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân

tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân huỷ thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng

NO2 -

O2

BOD Lớp kị khí

Biofilm

Lớp hiếu khí

NH4 +

Nước thải

SVTH: Lê Quốc Ân 21

Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối

 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn

 Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn

mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

 Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả

Trong giai đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng

vi sinh đang phát triển cũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối.Hình 3.3: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

 Giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ

phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa bởi lực cắt của dòng chảy Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và

số lượng Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến

là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas

ăn màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứu của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng thải ra chất kết dính Kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch nước Loài kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hoá chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

SVTH: Lê Quốc Ân 22

2.5.3 Tính chất của màng vi sinh vật

 Đặc tính sinh học của màng

Nói chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi

sinh vật tương đối lớn Nồng độ sinh khối khoảng 20 – 40 kg/m3

trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3

trong thiết bị lọc ngập nước, và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn Thương số của tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (S) cho ta thời gian lưu bùn (hay tuổi bùn AS):

; Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý Trong trạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống

Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị

xử lý lớn, và nếu lượng bùn dư nhỏ thì AS sẽ rất lớn Do đó, số lượng loài vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trò cao hơn trong chuỗi thức ăn Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao

là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định Những loài vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hoá chậm hay cơ chất có giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ

có tốc độ phát triển nhỏ tương ứng Như vậy, quá trình màng vi sinh vật có những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất như vậy

 Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất

Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính Sự khác biệt chủ yếu ở 2 quan điểm:

- Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi 2 yếu tố: sự khuếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng Quá trình khuếch tán

sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới 1 giá trị đủ lớn Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hoá lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do đó sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt

độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn

SVTH: Lê Quốc Ân 23

- Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt

lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hoà trộn với vi sinh vật và được tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử nhỏ hơn nhiều so với những hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi

có thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân phải được diễn ra trước để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn

 Một số đặc tính khác

- Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý

Ưu điểm quan trọng nhất của quá trình màng vi sinh vật so với quá trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính, có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nước xử lý, tuần hoàn bùn và loại bỏ bùn dư… Đặc

biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như Sphaelotius natans, beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khó khăn cho quá trình vận

hành hệ thống Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như không cần phải quan tâm tới Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nước thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà không

có ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật Lượng bùn dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, có tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống, và còn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn

Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của công trình xử lý trong quá trình vận hành thấp Thí dụ, đối trong công trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong công trình xử lý có thể được điều chỉnh thông qua lượng bùn tuần hoàn từ bể lắng, thời gian lưu bùn có thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ, và các điều kiện vận hành có thể được điều