Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh vật

Mục đích oxi hóa hết các hợp chất hữu cơ có khả năng hòa tan. Sử dụng hoạt động của VSV để phân hủy hết các hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải.

MỞ ĐẦU

Hiện nay, xã hội đang trên đà phát triển, các công nghệ kỹ thuật tiên tiến được áp dụng vào quá trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng cũng như đầu tư vào quy trình công nghệ sản xuất ngày càng phong phú, đặc biệt trong các ngành công nghiệp, cùng với sự phát triển đó môi trường cũng bị ảnh hưởng và chủ yếu là theo hướng tiêu cực, đặc biệt là môi trường nước Bất kỳ loại hình công nghiệp nào cũng sử dụng một lượng lớn nước tiêu dùng và thải ra không ít nước thải từ quá trình sản xuất, vấn đề đặt ra ở đây

là làm thế nào để lượng nước thải sau xử lý đủ tiêu chuẩn để có thể đổ ra môi trường hoặc tái sử dụng nhằm tiết kiệm về nguồn năng lượng cũng như kinh tế cho sản xuất.

Xử lí nước thải là quá trình phân huỷ các hợp chất gây ô nhiễm thành những chất ít hoặc không gây ô nhiễm, keo tụ và làm trong nước thải Trong một số trường hợp, thay vì phân hủy có thể chuyển hóa các chất ô nhiễm thành những chất có ích như năng lượng hay sinh khối Hiện nay, trong lĩnh vực nước thải có tới 80% lượng nước thải được coi là có thể xử lý bằng công nghệ sinh học Đó là nước thải sinh hoạt chứa chất ô nhiễm hữu cơ, các hợp chất N, P; nước thải công nghiệp chứa các hợp chất hữu cơ sinh hủy được, ở mức độ nhất định công nghệ sinh học xử lý được

cả các hóa chất độc, kể cả các kim loại nặng thường có nguồn gốc nhân tạo

Quá trình xử lý nước thải trong môi trường chủ yếu là các vi sinh vật như virus, vi khuẩn, tảo đơn bào Vì vậy, với mục đích xử lý nước thải người ta thường quan tâm chủ yếu đến nhóm vi sinh vật trong nước

Từ yêu cầu của xã hội cũng như vai trò của vi sinh vật trong nước đã

nêu trên, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “ Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh vật”.

B – NỘI DUNG

1 Cơ sở khoa học ( lý thuyết ) của phương pháp:

Mục đích oxi hóa hết các hợp chất hữu cơ có khả năng hòa tan Sử dụng hoạt động của VSV để phân hủy hết các hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải VSV sử dụng chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng, năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng chúng nhận chất dinh dưỡng tạo tế bào mới, sinh trưởng, sinh sản nên tế bào của chúng tăng lên Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ VSV là quá trình OXH sinh hóa

VSV có vai trò quyết định chúng có thể sử dụng hợp chất hữu cơ ở thể rắn cũng như hòa tan trong nước và phân giải chúng đến muối vô cơ, CO2 và nước trong những trường hợp thuận lợi nhất của môi trường chúng đóng vai trò quan trọng trong chuyển hóa chất gây ô nhiễm nhưu chúng có thể cung cấp oxi cho môi trường nước, tiết vào môi trường các chất có khả năng kìm hãm sinh trưởng của VSV có hại, ngoài ra chúng có thể hấp thụ các kim loại nặng

• Một số VSV điển hình trong nước thải:

- VSV phân giải protein:

Protein → NH3 → No2 → NO3

Ví dụ ở vi khuẩn Pseudomomas

Quá trình phân giải pr hay quá trình amon hóa chất hữu cơ chứa Nito phổ biến là

là protein bởi các vi khuẩn amon điển hình là vi khuẩn Pseudomonas Nhờ men ngoại bào của vi khuẩn này mà pr sẽ bị phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn như polipeptit, oligopeptit….nhờ enzim peptitaza phân giải thành các axit amin Một phần các axit amin sẽ được VSV sử dụng tổng hợp protein xây dựng tế bào mới, một phần sẽ bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau tạo ra các sản phẩm trung gian khác

- VSV phân giải chất béo: nhiều VSV có khả năng phân giải chất béo Bacillas, Serratina, Psendomonas… với sự có mặt của VSV này chất béo bị thủy phân nhờ enzim lipaza nội bào hoặc ngoại bào tạo thành Gliserin và axit béo sau đó Gliserin

và axit béo bị ô xi hóa theo nhiều con đường khác nhau

- Phân giải Gluxit ( tinh bột) trong điều kiện hiếu khí có vi khuẩn pseudomonas, Astiomyces, Bacilulus… trong trường hợp này tinh bột bị phân giải thành đường, đường lại bị phân giải thành CO2 và sản phẩm khác Trong điều kiện

kỵ khí vi khuẩn gây thối như Clotridium phân giải thành etanol, axit Focmic, axit acetic…

Bảng 1- Các họ vi khuẩn và đối tượng chất thải công nghiệp xử lý được

Loại chất thải Họ (genus) vi khuẩn (vi sinh)

Acinetobacter Arthrobacter Bacillus Flavobacterium

Micrococcus Mycobacterium Pseuodmonas Vibrio

HC nông nghiệp (trừ sâu, diệt cỏ) Achromobacter

Alcaligenes Arthrobacter Athiorocaceae Corneybacterium*

Flavobacterium Methylomonas Penicillium*

Pseudomonas Zylerion*

Micrococcus Klebsiella Pseudomonas

Phaneorchaete*

Shigella Trametes*

Thực phẩm, giết mổ Acinetobacter

Arthrobacter Bacillus Brevibacterium

Nitrosomonas Pseudomonas Rhodococcus Vibrio

Alteromonas Bacillus

Enterobacter Pseudomonas Saccharomyces

Eisenia Chromobacter Sporotrichum*

Talaromyces*

Trichoderma*

Xanthomonas

Citrobacter Desulfomonite Enterobacter Morganeela Mycobacterium

Nitrosomonas Nocardia Pseudomonas Rhodococcus Xanthobacter

2 Hoạt động và các quá trình xử lý chính của vi sinh vật

Ở trong nước thải còn mới có ít vi sinh vật, nếu trong nước thải có nhiều chất độc cần xử lý sơ bộ để giảm nồng độ chất độc và phù hợp với sự phát triển của VSV Sau một thời gian VSV thích nghi, sinh sản phát triển tăng sinh khối tạo thành quần thể VSV có trong nước kéo theo sự phát triển của giới thủy sinh Các VSV sống trong nước thải chủ yếu là nhóm VSV hoại sinh và dị dưỡng

Quá trình hấp thụ các hợp chất hữu cơ nhờ VSV trải qua 3 giai đoạn: chất hữu cơ tiếp xúc với màng vi sinh vật, khuyế tán các chất qua màng tế bào VSV, chuyển hóa các chất trong nội bào Các giai đoạn này có mối liên quann chặt chẽ, chính nhờ khả năng chuyển hóa các chất có khả năng phân hủy ở trong nước

2.1 Quá trình hiếu khí:

* Chuyển hóa C: Phương trình mẫu chuyển hoá hiếu khí 1 mol gluco (M =180 g)

là:

1C6H12O6 + 6O2→ 6CO2 + 6H2O + E = 2.870 kJ (1)

(1) Nếu tải BOD cao (khoảng >0.6 kg m–3 d–1 BOD), nghĩa là dư thừa thức ăn so với sinh khối thì khoảng 0,5 mol (90 g) sẽ được ôxi hoá thành CO2 và nước, ứng với nhu cầu 3 mol O2 (96 g), sinh ra 19 mol ATP (Hình 1) Còn lại 0,5 mol gluco (90 g) chuyển hoá thành pyruvat theo một trong ba cơ chế chuyển hoá gluco (glycolytic pathways), khi đó sẽ tạo thành 0,5–1 mol ATP Pyruvat sẽ chuyển hoá tiếp tạo các sản phẩm, ví dụ như axetat hoặc đicarboxylic axit được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp tế bào vi sinh mới

Hình 1- Cân bằng chất và năng lượng trong quá trình vi sinh hiếu khí

Tối đa ta có 20 mol ATP tham gia vào tổng hợp tế bào (Hình 1) Ở pH = 7, quá trình thuỷ phân ATP thành ADP và phosphat vô cơ sinh ra 44 kJ/1 mol ATP Tính trung bình để sinh ra 4,75 g sinh khối vi khuẩn hiếu khí cần 1 mol ATP (Lui, 1998), 90 g sinh khối cần 180 g gluco Thiêu nhiệt của 1g sinh khối khô = 22 kJ, khoảng 890 kJ (2870 – 980 kJ) tiêu thụ (Hình 1) là tổng năng lượng toả ra trong quá trình hô hấp

và tái tạo tế bào

(2) Nếu tải BOD thấp, phần gluco tích luỹ dưới dạng sinh khối sẽ giảm Khi đó khoảng gần 0,7 mol (126 g) gluco được ôxi hoá thành CO2, ứng với tiêu thụ 4,2 mol

O2 (134,4 g) Khi đó chỉ có 30% lượng cacbon chuyển hoá thành sinh khối (trường hợp đầu là 50% lượng cacbon)

Có thể áp dụng các phép tính này để đánh giá gần đúng quá trình xử lí trong hồ, bồn hiếu khí thực tế Ví dụ, ta có nước đầu vào chứa 3,6 g L–1 (chất hữu cơ trong nước thải) và nếu 50% chất hữu cơ bẩn được phân huỷ sinh học sinh ra 0,9 g L–1 sinh khối mới, khi đó 2,7 g L–1 chất bẩn sẽ còn lại ( = 3,6 – 1,8 + 0,9) trong nước đầu ra (kể cả sinh khối) Nếu lắng hết sinh khối nước đầu ra chứa 1,8 g/L

* Nitrat hoá:

Khi trong hệ có amôni, sau khi hữu cơ ôxi hoá gần hết sẽ xảy ra sự ôxi hoá amôni

trước hết thành nitrit, rồi thành nitrat Các vi khuẩn nitrit hoá là Nitrosomonas,

Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, và Nitrosovibrio; nitrat hoá là các loại (genera) Nitrobacter, Nitrococcus, and Nitrospira Phản ứng nối tiếp như sau:

NH4+ + 1,5O2→ NO2– + 2H+ + H2O (xx)

Tuy ôxi hoá amoni là quá trình toả nhiệt nhưng các loại vi khuẩn đã nêu thuộc nhóm

tự dưỡng (autotrophs), khi đó CO2 (hoặc HCO3-) là nguồn cacbon để tổng hợp tế bào qua chu trình Calvin Do thế ôxi hoá của các hợp chất N dạng ôxi hoá khá cao nên khó tạo thành NADH2 để khử CO2, NADH2 buộc phải tổng hợp thông qua quá trình trao đổi điện tử ngược thu nhiệt Vì vậy hiệu suất tạo sinh khối nitrit và nitrat hoá thấp Ví dụ: Nitrosomonas sp phải ôxi hoá tới 30g NH3 mới tạo được 1g sinh khối (Schlegel, 1992)

2.2 Quá trình yếm khí:

Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau:

CcHhOoNnSs + 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H2O

→ 1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO2 + 1/8(4c + h – 2o – 3n – 2s)CH4 + nNH3 + sH2S

Thành phần khí (được gọi là biogas-khí sinh học) và giá trị nhiệt lượng phụ thuộc vào thành phần đầu vào và được cho ở bảng 2

Bảng 2- Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào thành phần thải

Cơ chất Luợng, cm 3 /g Biogas

kWh/m 3(d)

Cacbonhyđrat a

Chất béo b

Đạm

746,7 1434 636

50 71 60

50 29 40

4,95 7,02 5,93

a Tính cho đường hexoza; b Tính cho triglixerit với 3 mol axit palmitic; c Tính cho polyalanin với sự phân huỷ N thành NH 4 rồi thành (NH 4 ) 2 CO 3

Tính chung cho các chất thải quá trình YK bao gồm 3 giai đoạn với sản phẩm cuối

là biogas (CH4 + CO2) được mô tả như sơ đồ rút gọn sau:

Để so sánh với HK ta dùng sơ đồ sinh hoá chuyển hoá chất chuẩn là glucô:

Hình 1- Cân bằng chất và năng lượng trong quá trình vi sinh yếm khí

So sánh hai quá trình:

- YK chậm hơn nhiều HK: ít sinh khối

- YK không xử lí được tới chất lượng đầu ra cao, chỉ áp dụng như phương tiện tiền xử lí

- YK thuận lợi vì sinh ít bùn

- YK thu hồi năng lượng, rất quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng, biogas được coi là nguồn năng lượng tái tạo

- YK sinh ra amôni, photphat nên không phải là phương tiện xử lí N, P

2.3 Các quá trình thiếu khí:

Về khía cạnh xử lí nước các quá trình thiếu khí (DO ~ 0 mg/L) rất quan trong

về khía cạnh khử nitrat, nitrit Trước hết nó cần chất khử (cho điện tử), ví dụ:

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e– (xx)

CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e– (xx)

N-nitrat sẽ nhận điện tử và lần lượt qua các trạng thái sau:

2e - e - e - e

-NO3–→ NO2–→ NO → 0,5N2O → 0,5N2 (xx)

Như vậy tuỳ chất cho điện tử, ta có các phương trình ví dụ như sau:

5CH3OH + 6HNO3→ 5CO2 + 3N2 + 13H2O (xx)

5CH3–COOH + 8HNO3→ 10CO2 + 4N2 + 14H2O (xx)

* Quá trình Anammox:

Trong quá trình Anammox amoni sẽ được ôxi hoá thành nitơ bằng nitrit (chất nhận electron) (Van de Graaf et al., 1995, 1997) Sử dụng đồng vị N15 đã chứng minh được rằng nitrit khi đó sẽ bị khử thành hydroxylamin (pt xx), tiếp theo hydroxylamin phản ứng với amoni tạo hydrazin (N2H4, pt xx) Tiếp theo hydrazin ôxy hoá bởi tác nhân X bất kì tạo nitơ phân tử (pt xx):

2HNO2 + 4XH2→ 2NH2OH + 2H2O + 4X (xx)

2NH2OH + 2NH3→ 2N2H4 + 2H2O (xx)

2N2H4 + 4X → 2N2 + 4XH2 (xx)

Do cấu tạo đơn giản và khả năng tái tạo nhanh của vi khuẩn, chúng có khả năng xử lý rất tốt các chất thải có nguồn gốc tự nhiên do con người, súc vật thải ra, ngoài ra, quan trọng hơn, chúng còn có thể tự thay đổi và thích nghi rất tốt với môi trường, đây là lí do tại sao vi khuẩn tự nhiên có thể được "huấn luyện" để xử lý một

số hóa chất độc, có nguồn gốc nhân tạo Bảng 1 là danh mục các loại (genus) vi khuẩn được chứng minh là có khả năng xử lý các hóa chất nhân tạo [Handbook of

Pollution Control and Waste Minimization, Chapter 10, Ed Abbas Ghassemi,

Marcel Dekker, Inc., 2002]

3 Điều kiện áp dụng vi sinh vật trong hệ xử lý môi trường

3.1 Mật độ vi sinh:

Để quá trình sinh học đủ nhanh để có thể áp dụng, trước hết, phải có hoặc

tạo điều kiện để vi sinh phát triển tới mật độ đủ lớn để chúng có thể thực hiện quá

trình xử lí trong thời gian đủ ngắn Để đạt được điều này, tùy quá trình sẽ áp dụng (yếm khí, hiếu khí hay thiếu khí như trên) cần tạo điều kiện để các loại vi sinh tương ứng phát triển Trước hết, đó là các điều kiện phục vụ cho quá trình sinh trưởng của chúng (nồng độ cơ chất – thức ăn, các nguyên tố và chất vi lượng; nguồn năng lượng; kiểu hô hấp) (xem Bảng 3 )

Bảng 3- Phân loại vi khuẩn theo các nhu cầu để tăng trưởng và các kiểu hô hấp

Prototrophs Hiệu quả nhất Tự tổng hợp được tất cả các chất để sinh trưởng

từ CO 2 hoặc các hợp chất hữu cơ đơn Auxotrophs Không tự tổng hợp được tất cả các chất cần thiết

Nguồn carbon:

Tự dưỡng (Autotrophs) Nguồn C là CO 2 , HCO 3- VD: tảo, vi khuẩn quang hợp

Dị dưỡng (Heterotrophs) Nguồn C là hữu cơ ở trạng thái khử

Methanotrophs, methanogens Nguồn C và năng lượng là metan

Nguồn năng lượng:

Quang năng (Phototroph) Lấy năng lượng từ ánh sáng (VD: tảo)

Hóa năng (Chemotroph) Lấy năng lượng từ phản ứng ôxi hóa hóa học

Organotrophs Lấy năng lượng từ phản ứng ôxi hóa chất hữu cơ

Lithotrophs Lấy năng lượng từ phản ứng ôxi hóa chất vô cơ

TEA:

Hiếu khí (Aerobe) Sử dụng ôxi

Yếm khí (oligate) Không phát triển khi có ôxi.

Chất nhận điện tử (TEA) khác nhau Yếm khí tùy nghi Chấp nhận O 2 nếu có; ưu tiên môi trường không có O 2 , thay

bằng các TEA khác.

Lên men (Fermentation) TEA là các chất hữu cơ

Tính linh hoạt của vi khuẩn cho phép chúng xử lý được nhiều chất ô nhiễm

Như trong Bảng 3, các chủng Pseudomonas có thể xử lý các chất thải nông nghiệp,

kim loại nặng, công nghiệp thực phẩm và cả các dung môi Trong mọi trường hợp,

để có thể xử lý hiệu quả yêu cầu đầu tiên là mật độ vi khuẩn phải đủ lớn Các

nghiên cứu cho thấy mật độ 103–108 cfu/L, hoặc 104–107 cfu/g là đủ để xử lí nước ngầm và đất tương ứng Vì vậy mật độ ít nhất là 108 cfu/L được đề xuất Nếu nồng

độ chất ô nhiễm tăng thì mật độ vi khuẩn phải tăng tương ứng

Các vi khuẩn bản địa thường là tổ hợp nhiều loại Vì vậy, có thể coi là một loại vi khuẩn một mình khó có thể xử lý chất thải thành công Phần lớn các thông tin cho thấy khó đạt được sự phân hủy tới khoáng hóa hoàn toàn (chuyển hóa hoàn toàn chất thải thành CO2, H2O, sinh khối và muối vô cơ) Sự khoáng hóa hoàn toàn cần sự tham gia của cả tập đoàn vi sinh Một tập đoàn gồm nhiều chủng loại vi sinh cùng phát triển Tập đoàn có khả năng thực hiện chuỗi chuyển hóa phức tạp, trong khi một loại vi khuẩn thường chỉ ưu tiên những cơ chất quen thuộc Số lượng và chủng loại của tập đoàn phụ thuộc vào loại chất thải, độ khó xử lí của chất thải và nồng độ chất thải cần xử lý

Các tập đoàn vi khuẩn tự nhiên được coi là tập thể hoạt động tương hỗ để cùng tồn tại Khi không có tác động của con người, luôn xuất hiện một hoặc hai nhóm có ưu thế Các nhóm này có khả năng thích nghi cao nhất, có khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả nhất Cùng thời gian, mật độ vi sinh có thể thay đổi theo sự thay đổi của cơ chất, dinh dưỡng hoặc tác nhân nhận điện tử

3.2 Tác nhân nhận điện tử (TEA – terminal electron acceptor):

Trong phản ứng vi sinh vai trò của TEA có tính quyết định Bảng 4 liệt kê các loại TEA mà vi khuẩn sử dụng Vi khuẩn hiếu khí sử dụng O2 Đối với các vi khuẩn hiếu khí không ngoại lệ O2 có thể được lấy từ không khí, ôxi kĩ thuật hoặc

H2O2 Sự thay đổi TEA dẫn đến sự thống trị của các loại vi khuẩn khác Ví dụ: vi khuẩn khử nitrat sử dụng nitrat (NO3 → NO2 → N2) làm TEA Vi khuẩn khử

sulphat, như Desulfovibrio, sử dụng SO42–, tạo ra S2– Methanogens sử dụng CO2

như TEA Một số loại vi khuẩn có thể sử dụng chất hữu cơ làm TEA

Bảng 4 Các loại TEA đặc trưng và các kiểu hô hấp tương ứng

Oxy

Nitrat, nitrit

Sulphat

O 2

NO3–, NO2–

SO42–

Hiếu khí Yếm (thiếu) khí Yếm khí