Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh vật

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”.

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)

Hydro carbon no Achromobacter

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

Giấy, bột giấy Arthrobacter

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,