nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí

MỞ ĐẦU Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người. Nước trong tự nhiên bao gồm toàn bộ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm, hơi nước ẩm trong đất và trong khí quyển. Trên trái đất khoảng 94% là nước mặn, 23% là nước ngọt nó chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Nước ngọt dạng lỏng thường ở các tầng ngầm, chiếm khoảng 2,24% tổng lượng nước ngọt. Như vậy, chỉ có khoảng 0,03% lượng nước trên hành tinh là có thể sử dụng được. Nước cần cho mọi sự sống và phát triển. Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới. Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống. Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Sau khi sử dụng nước trở thành nước thải, bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của công nông nghiệp ... đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước. Vấn đề này đang được nhiều sự quan tâm của mọi người, mọi quốc gia trên thế giới. Ở nước ta hiện nay phần lớn nước được thải ra sông hồ mà chưa qua xử lý. Vì vậy, dẫn đến tình trạng các con sông đó bị ô nhiễm bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người. Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt. Một trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khoá luận này bước đầu chúng tôi nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí .

MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người Nước trong tựnhiên bao gồm toàn bộ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm, hơinước ẩm trong đất và trong khí quyển Trên trái đất khoảng 94% là nước mặn, 2-3%

là nước ngọt nó chiếm một tỷ lệ rất nhỏ Nước ngọt dạng lỏng thường ở các tầngngầm, chiếm khoảng 2,24% tổng lượng nước ngọt Như vậy, chỉ có khoảng 0,03%lượng nước trên hành tinh là có thể sử dụng được

Nước cần cho mọi sự sống và phát triển Nước giúp cho các tế bào sinh vậttrao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới Vì vậy,

có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống

Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch

vụ Sau khi sử dụng nước trở thành nước thải, bị ô nhiễm với các mức độ khácnhau Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của công nôngnghiệp đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trườngnước Vấn đề này đang được nhiều sự quan tâm của mọi người, mọi quốc gia trênthế giới

Ở nước ta hiện nay phần lớn nước được thải ra sông hồ mà chưa qua xử lý

Vì vậy, dẫn đến tình trạng các con sông đó bị ô nhiễm bốc mùi khó chịu, làm mấtcảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người

Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt.Một trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khoá luận này bước đầuchúng tôi nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếmkhí

Chương 1: TỔNG QUAN

Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

Cùng với sự phát triển của nền văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngàycàng nhiều, lượng nước công nghiệp cũng như lượng nước sinh hoạt thải ra đưa vàocác nguồn nước tự nhiên ngày càng lớn, gây ô nhiễm đáng kể đến nước bề mặt vàmôi trường

Để đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ ô nhiễm nước cần dựa vàomột số thông số cơ bản so sánh với các chỉ tiêu cho phép về thành phần hoá học vàsinh học đối với từng loại nước sử dụng cho các mục đích khác nhau

Các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng nước là: độ pH, mầu sắc, độ đục,hàm lượng chất rắn, các chất lơ lửng (huyền phù), các kim loại nặng, oxi hoà tan

và đặc biệt là hai chỉ số COD và BOD

1.1 Các thông số biểu thị độ nhiễm bẩn của nước thải sinh hoạt

Màu sắc của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên Màu sắc của nướcảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm khi sử dụng nước có mầu trong sản xuất

Màu của nước là do:

 Các chất hữu cơ và phần chiết của thực vật gọi là mầu thực, màu này rấtkhó xử lý bằng phương pháp đơn giản Ví dụ các chất mùn humic làm nước có màuvàng, các loài thuỷ sinh, rong tảo làm nước có màu xanh

 Các chất vô cơ là những hạt rắn có màu gây ra, gọi là màu kiến, màu này

xử lý đơn giản hơn Ví dụ, các hợp chất của sắt hoá trị +3 không tan làm nước cómàu nâu đỏ

Cường độ màu của nước xác định bằng phương pháp so màu sau khi đã lọc

 Do nước thải có chứa những chất khác nhau, màu mùi vị của nước đặctrưng cho từng loại.

Mùi của nước được xác định theo cường độ qui ước, ví dụ nếu mẫu nước cómùi nhẹ và pha loãng bằng nước sạch đến thể tích bằng 1:1; mà mùi biến mất thì chỉ

số ngưỡng có mùi (TON) bằng 1, còn nếu pha loãng gấp đôi mùi mới biến mất thìchỉ số mùi bằng 2 Nếu pha loãng mùi gấp 4, 5, 8, 100 mùi mới biến mất thì chỉ sốngưỡng mùi tương ứng là 4, 5, 8

Nước tự nhiên thường bị vẩn đục do những hạt keo lơ lửng trong nước, cáchạt keo này có thể là mùn, vi sinh vật, sét Nước đục làm giảm sự chiếu sáng củaánh sáng mặt trời qua nước Độ đục của nước được xác định bằng phương pháp so

độ đục với một độ đục của một thang chuẩn

Nguồn gốc ô nhiễm chính là nguồn nước thải từ các bộ phận làm nguội ở cácnhà máy Nhiệt độ trong loại nước thải này thường cao hơn 10 -200C so với nướcthường

Ở những vùng nhiệt đới như nước ta, nhiệt độ nước thải vào sông, hồ tăng sẽlàm giảm lượng oxy tan vào nước và tăng nhu cầu oxy của cá lên hai lần, tăng nhiệt

độ còn xúc tiến sự phát triển của các sinh vật phù du

Nhiệt độ nước thường được đo bằng nhiệt kế

Nước có hàm lượng chất rắn cao là nước kém chất lượng

Chất rắn trong nước gồm hai loại: chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan, vàtổng hai chất rắn trên gọi là tổng chất rắn

 Chất rắn lơ lửng thường làm cho nước bị đục, là một phần của chất rắn cótrong nước ở dạng không hoà tan Căn cứ vào tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng cótrong nước, ta có thể xét đoán hàm lượng mùn, sét và những phần tử nhỏ khác cótrong nước Chúng có thể có hại vì làm giảm tầm nhìn của các động vật sống trongnước và độ dọi của ánh sáng mặt trời qua nước Tuy nhiên nước có chất rắn lơ lửng

là đất mùn ( như nước phù sa ) được dùng làm nước tưới cho nông nghiệp rất tốt

Để xác định tổng chất rắn lơ lửng, mẫu nước lấy về phải được làm ngay hoặcphải được bảo quản ở 4oC nhằm ngăn ngừa sự phân huỷ chất hữu cơ bởi vi sinh vật

Lấy một thể tích nước nhất định, lọc qua giấy lọc đã biết khối lượng Cặn trên giấylọc đem sấy khô ở 105oC ( thường dùng 180oC ), cân và tính ra mg/l.

 Chất rắn hoà tan, mắt thường không nhìn thấy được, thường làm chonước có mùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nước có màu Các chất rắn tan trongnước thường là các chất khoáng vô cơ và đôi khi cả một số chất hữu cơ như cácmuối clorua, cacbonat, hiđrocacbonat, nitrat, sunfat, phôtphat của một số kim loạinhư Na, K, Ca, Mg, Fe, ,các phân bón

Nước có hàm lượng các chất rắn hoà tan cao không dùng trong sinh hoạtđược, không dùng để tưới trong nông nghiệp trong thời gian dài được vì sẽ gây mặncho đất Nước có chứa nhiều chất rắn tan có thể dẫn tới các vi sinh vật trong nước bịhoại sinh, oxi bị tiêu thụ nhiều và nước trở nên kị khí, dẫn đến hậu quả cá bị chết và

do quá trình kị khí chiếm ưu thế nên giải phóng các bọt khí như CO2, NH3, H2S,

CH4 làm cho nước có mùi Nước có hàm lượng các chất tan lớn cũng không dùngđược trong công nghiệp vì các chất rắn sẽ dẫn đến đóng cặn trong bể chứa, nồi hơi,máy móc, gây ra ăn mòn kim loại

Để xác định tổng hàm lượng các chất rắn tan trong nước, ta lọc mẫu nướcqua giấy lọc băng xanh để tách những phần tử lơ lửng không tan trong nước Lấy250ml nước đã lọc, làm bay hơi trên bếp cách thuỷ đến cạn khô, sau đó sấy cặn ở

180oC, đem cân cặn và tính tổng hàm lượng chất rắn tan có trong nước ra mg/l

Các muối tan trong nước tồn tại ở các dạng ion nên làm cho nước có khả năngdẫn điện Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào nồng độ, tính linh động và hoá trịcủa các ion (ở nhiệt độ nhất định) Như vậy khả năng dẫn điện của nước phản ánhhàm lượng chất rắn tan trong nước

Để xác định độ dẫn điện người ta đo điện trở hoặc dùng máy đo độ dẫn trựctiếp với đơn vị là milisimen (mS) Độ dẫn điện của mẫu nước được so với độ dẫnđiện của dung dịch chuẩn KCl Ở 25oC độ dẫn điện tương ứng của dung dịch KClvới các nồng độ khác nhau như sau :

Dung dịch 0,001M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 141 mS

Dung dịch 0,01M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 147,3 mS Dung dịch 0,05M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 666,8 mS

Dung dịch 0,1M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 1290,0 mS

Độ cứng của nước do các kim loại kiềm thổ, chủ yếu là canxi và magie gâynên Nước cứng thường không được gọi là ô nhiễm vì không gây hại tới sức khoẻcon người Nhưng nước cứng lại gây nên hàng loạt các hậu quả: nước cứng pha chèkhông ngấm, xà phòng không tạo bọt vì xà phòng tạo kết tủa với ion Ca2+, Mg2+ Độcứng có hai dạng :

 Độ cứng tạm thời do muối hidrocacbonat của canxi và magie tạo nên Độcứng này sẽ mất khi đun sôi nước vì các muối này bị phân huỷ tạo thành kết tủa, đó

là dạng đóng cắn ở đáy và thành ấm đun nước

 Độ cứng vĩnh cửu do các muối clorua, sunfat, nitrat của canxi và magiêtạo nên

Độ cứng thường được biểu thị bằng số milimol của các ion canxi và magiê

có trong một lít nước (trước đây thường được biểu thị bằng số mg CaO/lit hay bằng

số mg CaCO3 /lit)

Để xác định độ cứng của nước người ta thường dùng phương pháp chuẩn độcomplexom với dung dịch đệm NH3 + NH4Cl có pH =10 Với chất chỉ thị làEriocrom T đen

1.1.8 Độ axit [1]

Độ axit được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước tham giaphản ứng với kiềm mạnh (NaOH hay KOH) Độ axit của nước được xác định bằnglượng kiềm được dùng để trung hoà nước

Đối với các loại nước thiên nhiên thường gặp, độ axit của nước phụ thuộcvào lượng CO2 trong nước Các chất mùn và các axit hữu cơ có trong nước cũng tạonên một phần độ axit của nước thiên nhiên Trong tất cả các trường hợp đó, pH củanước thường không nhỏ hơn 4,5

Đối với nước thải, chứa các loại axit mạnh tự do chứa các muối tạo bởi axitmạnh và bazơ yếu sẽ dẫn đến độ axit của nước cao Trong những trường hợp này

pH của nước không lớn hơn 4,5

Để xác định độ axit của nước, người ta chuẩn độ nước bằng dung dịch chuẩnNaOH hay KOH, lượng dung dịch kiềm tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chỉthị là metyl da cam tương ứng với lượng axit tự do của nước, còn nếu dùng chất chỉthị là phenolphtalein thì tương ứng với độ axit chung của nước Nếu pH của nước 8,3 thì độ axit của nó bằng không

1.1.9 Độ kiềm [1]

Độ kiềm được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước phản ứngvới các axit mạnh Để xác định độ kiềm của nước người ta sử dụng phương phápchuẩn độ nước bằng dung dịch axit mạnh

Đối với nước thiên nhiên, độ kiềm của nó phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượngmuối cacbonat, hidrocacbonat của các kim loại kiềm thổ Trong trường hợp này pHcủa nước thường  8,3

Để xác định độ kiềm của nước, người ta chuẩn độ mẫu nước bằng dung dịchchuẩn HCl, lượng dung dịch axit tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chị thị làphenolphtalein (pHtđ) tương ứng với lượng kiềm tự do chất chỉ thị là metyl da cam(pHtđ = 4,5) Tương ứng với độ kiềm toàn phần của nước

Để xác định độ pH của nước người ta thường dùng máy đo pH

1.1.10 Oxi hoà tan trong nước (DO: dissoled oxygen) [1]

Oxi tan trong nước rất ít Độ tan bão hoà của oxi trong nước sạch ở O0C vàokhoảng 14-15 ppm (hay mg/l) Thông thường nước ít bão hoà oxi mà chỉ có 70-80%

so với mức bão hoà Đôi khi do các thực vật nổi và các loại thực vật sống trongnước thực hiện quá trình quang hợp mạnh nên giải phóng ra oxi nhiều làm cho oxitrong nước đạt trên mức bão hoà (200% gọi là siêu bão hoà )

Ở các hệ sinh thái nước, trừ ban ngày có quá trình quang hợp xảy ra mạnhcòn nói chung DO là nhân tố hạn chế và đôi khi gây nên tình trạng thiếu oxi và làmchết các sinh vật ở nước

Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nước, ví dụ khi có nhiều chấthữu cơ trong nước thì DO giảm đáng kể Nước bình thường có giá trị DO là 14-16mg/l, nếu thấp hơn giá trị này là nước ô nhiễm

1.1.11 Nhu cầu oxi sinh hoá (BOD: Biochemical Oxygen Demand) [1]

BOD là lượng oxi vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxi hoá các chấthữu cơ

Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật CO2 + H2O +sản phẩm cố định

Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hoà tan trong nước

Chỉ tiêu BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm củanước Nó biểu thị cho lượng chất hữu có thể bị phân huỷ bởi vi sinh vật

Chỉ số BOD cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ là chất bẩn có khả năng phânhuỷ sinh học trong nước càng lớn.

Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để vi sinh vậtoxi hoá hoàn toàn chất hữu cơ có trong nước, mà chỉ cần xác định lượng oxi cầnthiết khi ủ ở nhiệt độ 20 0C trong 5 ngày trong phòng tối để tránh quá trình quanghợp; khi đó khoảng 70-80% nhu cầu oxi được sử dụng và kết quả được biểu thịbằng BOD5 (5 ngày ủ)

1.1.12 Nhu cầu oxi hoá học (COD:Chemical Oxygen Demand) [1]

COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hoá hoá học các chất hữu cơ cótrong nước thành CO2 và H2O

COD là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước vì nó cho biếthàm lượng chất hữu cơ có trong nước

Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể oxi hoá bằng vi sinhvật, do đó giá trị COD bao giờ cũng cao hơn giá trị BOD

Ngoài BOD và COD, người ta thường dùng một số chỉ số khác để đo hàmlượng các chất hữu cơ trong nước như: tổng cacbon hữu cơ (TOC- Total OrganicCacbon) và nhu cầu theo lý thuyết (ThOD: Theoretical Oxygen Demand) TOC chỉdùng được khi hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải tạo thành CO2 + H2O,nhưng đại lượng này chỉ tính được khi biết công thức hóa học của các chất hữu cơ,

mà các chất hữu cơ có trong nước rất phức tạp nên không thể tính được nhu cầu oxytheo lý thuyết nhưng chắc chắn là:

ThOD  COD  BODcuối  BOD5

Bảng1 Tiêu chuẩn chất lượng nước mặt - TCVN 5942 -1995 [5]

1.2 Các phương pháp cơ-lý-hóa xử lý nước thải

1.2.1 Phương pháp lắng và đông tụ [3]

Nước thải được đưa vào bể chứa lắng các chất rắn Thông thường các chất lơlửng lắng rất chậm hoặc khó lắng Để tăng vận tốc lắng các chất này người ta dùngmột số hóa chất sau làm tác nhân kết lắng

- Sắt (III) clorua và sắt (III) sunfat;

- Dùng phèn thì phản ứng tạo photphat kết lắng như sau:

- Dùng sắt (III) clorua để tạo phôtphat

FeCl3 +6H2O +PO43-  FePO4 +3 Cl - + 6H2O

- Dùng natri aluminat để loại photphat

Na2Al2O4 +2 PO43- +4 H2O  2AlPO4 + 2NaOH + 6OHNhững chất kết lắng thành bùn và trong bùn chứa nhiều hợp chất khó tan.Việc sử dụng bùn này làm phân bón có thể làm cho cây trồng khó tiêu hóa

-1.2.2 Phương pháp hấp phụ [3]

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là các chất ô nhiễm tan trong nước cóthể được hấp phụ trên bề mặt một số chất rắn (chất hấp phụ) Các chất hấp phụthường dùng trong mục đích này là than hoạt tính dạng hạt hoặc dạng bột, than bùnsấy khô hoặc có thể là đất sét hoạt tính diatomit, betomit

Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị hấp phụ Lượng chấthấp phụ sử dụng tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất

bẩn có ở trong nước Phương pháp này có tác dụng tốt có thể hấp phụ được 85-95%các chất hữu cơ và màu.

Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta dùng thanbùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ

1.2.3 Phương pháp trung hòa [3]

Nước có độ axit cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm như vớivôi, đá vôi đolomit hoặc dùng nước vôi trung hoà trực tiếp Cũng có khi dùng dungdịch kiềm (NaOH hoặc Na2CO3) vào mục đích này

Nước thải có tính kiềm dùng axít kỹ thuật pha loãng để trung hòa Trước khitrung hòa cần chuẩn bị và tính toán sao cho sau khi trung hòa được độ pH của nướcmong muốn với lượng hóa chất vừa đủ

1.2.4 Phương pháp dùng chất sát khuẩn [3]

Nước thải sau khi xử lý bằng các biện pháp cần thiết trước khi đưa vào sông

hồ hoặc các nguồn nước khác, cũng như quay lại để cấp nước sinh hoạt phải cần sátkhuẩn Chất sát khuẩn cần dùng và không gây độc hại là khí clo (Cl2) Việc clo hóanhằm mục đích diệt các vi sinh vật tảo và làm giảm mùi của nước Các hợp chất clodùng ở đây là clo lỏng được chứa trong các bình thép (bom clo) vôi clorua có độhoạt động của clo là 25 - 35% các hypoclorit NaOCl, Ca(OCl)2 vừa có hoạt tính củaclo vừa có hoạt tính oxy hóa nên có thể phân hủy nhiều chất độc hữu cơ thành chấtkhông độc

1.2.5 Các bể chứa và lắng [3]

Các bể này có thể là bể bê tông hoặc ao hồ được gia cố nền móng sao chonước thải ít ngấm vào các tầng đất sâu Nước thải vào các bể này và được lưu lạitrong thời gian 2 - 10h Thực tế đây là sự mô phỏng quá trình lắng đọng tự nhiêncủa nước trong các thủy vực Sau thời gian 3 h thì hầu hết các chất rắn dễ lắng và 30

- 40% những chất rắn ở dạng lơ lửng huyền phù được lắng xuống đáy bể

Phần nước ở trên được đưa vào các qúa trình xử lý tích cực với các phươngpháp lên men, hiếu khí, thiếu khí hoặc kị khí tùy tiện

Các phần lắng cắn tùy từng công đoạn có thể làm phân bón cho cây trồnghoặc đem thiêu hủy

1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

1.3.1 Nguyên lý chung [4]

Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phânhuỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng cácchất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trongqúa trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinhtrưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Qúa trình phân hủy cácchất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là qúa trình oxy hóa sinh hóa.

Để thực hiện qúa trình oxy hoá sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chấtkeo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của visinh vật Theo quan điểm hiện đại nhất, qúa trình xử lý nước thải hay nói đúng hơn

là việc thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp phụ các chất bẩn đó

là một qúa trình gồm ba giai đoạn:

 Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinhvật do khuếch tán đối lưu và phân tử

 Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếchtán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

 Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinhnăng lượng và qúa trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ nănglượng

Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và qúa trình chuyển hóacác chất đóng vai trò chính trong qúa trình xử lý nước thải

Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sơ khácnhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau: xử lý sinh họchiếu khí và xử lý sinh học yếm khí

1.3.2 Phương pháp hiếu khí [2,4 ]

Đây là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí Để đảmbảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trongkhoảng 20 đến 40 0C

Phương trình tổng quát các phản ứng tổng hợp của quá trình oxy hoá sinhhóa ở điều kiện hiếu khí như sau:

CxHy Oz N +(x+y/4- z/2 - 3/4) O2 vi sinh vật x CO2 + (y-3) /2

H2O + NH3 + H (1)

CxHy Oz N + NH3 + O2 vi sinh vật C5H7 NO2 + CO2 +

H (2)

Trong phản ứng trên, CxHy Oz N là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, còn

C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinhvật, H là năng lượng

Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu nănglượng của tế bào, còn phải ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào Lượngoxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải

Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì không đủ chất dinh dưỗng, quá

trình chuyển hoá các chất của tế bào xảy ra theo giai đoạn sau:

là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ hiếu khí:

 pH: Đây là yếu tố có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình xử lý Khoảng pHtối ưu cho quá trình xử lý thường là nằm gần vùng trung tính

 Lượng oxy cung cấp cho quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào sự khuấytrộn, sục khí, Lượng oxy cung cấp càng nhiều thì càng làm tăng tốc độ quá trình

xử lý

 Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa tăng Trong thực tế nhiệt

độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng 20oC đến 30oC Khinhiệt độ tăng quá ngưỡng vi khuẩn sẽ bị chết, còn ở nhiệt độ thấp thì tốc độ xử lý sẽgiảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường mới sẽ bị chậm lại

 Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng: Để có phản ứng sinh hóa nướcthải cần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng Đó là cácnguyên tố N, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Trong đó N, K, P là các nguyên tốchủ yếu

1.3.3 Phương pháp yếm khí

1.3.3.1 Nguyên lý chung [2,3,4]

Đây là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí.

(CHO)nNS + O2  CO2 + H2O + sinh khối vi sinh + sản phẩm chính + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + năng lượng

Ở điều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật được tạo thành ít, ngoài các chấttrung gian tới (70%) có một sản được quan tâm nhiều là metan Vì người ta cũngdựa vào qui trình này để thu metan và quá trình này còn được gọi là lên men metan.Các phương pháp phương pháp yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh

ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải côngnghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD = 4  5 g/l) Đây là phươngpháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷcác chất hữu cơ Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quátrình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan Những sản phẩmcuối cùng của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4

Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan Đó là quátrình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn Cơ chế của quá trình này chưa đượcbiết đến một cách chính xác và đầy đủ Nhưng người ta giải thích quá trình lên menkhí metan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm ( hay pha metan)

 Trong pha axit Các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện và

vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phứctạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin,axeton đihydrosunfua, CO2, H2

Các vi khuẩn kị khí thường là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tửphân huỷ polysacarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO2 Có tới 30% sốchủng loại đã phân lập có khả năng tạo thành hydro Thành phần loài phụ thuộc vào

sự thay đổi của môi trường

Khi có mặt xenlulo, các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B.megateruim, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Ps reptilovora,Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris Các vi khuẩn này đãđược phân lập từ bể tiêu hoá kị khí sinh metan

Phế liệu giàu tinh bột tạo điều kiện cho Micrococcus candidus, M varians,

M urea, Bacillus cereus, B megaterium và Pseudomonas spp sinh trưởng và pháttriển

Phế liệu giàu protein thích hợp cho quần thể vi khuẩn sau đây: Clostridium,Bacillus cereus, B circulans B sphaericus, B subtilis, Micrococcus varians,

Escherichia coli, Baracolo beterium intermedium, Pseudomonas coliforme vàPseudomonas spp.

Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng của Micrococcus, Bacillus,Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas tại các bể tiêu hoá kị khí

Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium Chúng

có khá nhiều trong nước thải chứa protein Các loài thuộc giống này kị khí, phânhuỷ rất mạnh protein và chia thành 3 nhóm:

 Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột,sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic

 Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axit izovaleric và axit axetic

 Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, khôngphân huỷ đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hoá các axit amin

Bảng2 Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ

(toC)

Sản phẩmBacillus cereus 5.2 25 - 35 Axetic, lactic

Bacillus knolfekampi 5.2 - 8.0 25 - 35 Axetic, lactic

Bacillus megaterium 5.2 - 7.5 28 - 35 Axetic, lactic

Bacteroides succinigenes 5.2 - 7.5 25 - 35 Axetic, sucxicnic

Clostridium carnefectium 5.0 - 8.5 25 - 37 Formic, axetic

Clostridium cellobinharus 5.0 - 8.5 36 - 38 Lactic, etanol, CO2Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 -51 Formic, axeitc

Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Lactic, sucxinic

Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Formic, axetic

Clostridium thermocellulaseum 5.0 - 8.5 55 - 65 Lactic, sucxinic, etanol

sucxinic, etanolRuminococcus sp 2 33 - 48 Formic, axetic, sucxinic

 Trong pha kiềm Các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí

chuyển hoá các sản phẩm trung gian trên tạo thành CO2 và CH4

Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinhtrưởng và phát triển rất chậm Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theohình thái và khả năng bào tử:

 Methanobacterium hình que, không sinh bào tử

 Methanobacillus hình que, sinh bào tử

 Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi

 Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối

Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn.Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính gram âm, không di động, đa sốsinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt Chúng có thể sử dụng NH3 làm nguồn nitơ.Chúng phát triển rất chậm Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mớiphát triển thành những dạng hoạt động

Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất bị ứcchế bởi sự có mặt của các kim loại có trong môi trường

Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như cácaxit focmic, butiric, propionic, axetic, rượu metanol, etanol, khí H2, CO2, CO Đểcác vi khuẩn metan phát triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO2 vàcác chất chứa nitơ Nếu trường hợp môi trường lên men thiếu thì phải bổ sung.Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amon cacbonat và amon clorua Đặcbiệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin Để quá trình lên mentiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỉ lệ sau: C/N

là 20:1

Bảng 3 Một số vi khuẩn sinh metan

(0C) Axit bị chuyển hoáMethanobacterium

omelianskii 6,5 - 8 37 - 40 CO2, H2, rượu I và II

valeric, caprionic

Methanococcus vanirielii 1,4 - 9,0 Axit formic và H2Methanococcuss mazei 30 - 37 Axit axetic, axit butyricMethanosarcina

Methanosarcina barkerli 7,0 30 CO2, H2, axit axetic,

metanol

Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hóa khử xảy ra một cáchnhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên sự sắp xếp các phản ứng khikhông có sự tham gia của oxy nêu trên chỉ mang tính quy ước Nhu cầu oxy sinhhọc của toàn bộ quá trình gần như bằng không Do sinh nhiều axit nên độ pH củamôi trường có thể giảm mạnh

Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra như sau:

CO2 + 4 H2A  CH4 + 4 A + 2 H2O trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro

Cũng có thể xảy ra các phản ứng khác (khi có và khi không có hydro ):

5 H2A + SO42-  5 A + H2S + 4 H2O Ngoài ra còn có cả quá trình đề nitrat hoá:

6 H2A + 2 NO3-  6 A + H2O + N2 Tóm lại quá trình lên men metan gồm ba giai đoạn:

 Giai đoạn lỏng hoá nguyên liệu đầu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinhdưỡng

 Giai đoạn tạo thành axit:

H2A  các axit hữu cơ (CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH)

 Giai đoạn tạo thành mêtan:

Các axit hữu cơ  CH4 + CO2 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ yếm khí tạo khímêtan:

 Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình Nhiệt độ tối

ưu cho quá trình này là 350C Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30

 350C) hoặc nóng (50  550C) Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầunhư không hoạt động

 Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạpcho quá trình cần có hàm lượng chất rắn 7  9% Tác dụng của khuấy trộn là phân

bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóngkhi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng - rắn

 Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là (25  30)

 pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5đến7,5 Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pHthay đổi, nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạpnguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo

CH4

 Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ

để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoáchất độc, đặc biệt là các kim loại nặng (Cu, Ni, Zn ), hàm lượng NH3 và sunfuaquá dư cùng một số hợp chất hữu cơ khác

1.3.3.2 Vai trò của dị dưỡng trong qúa trình xử lý yếm khí [7]

Các sinh vật mà sử dụng cacbon từ các hợp chất hữu cơ cho sự sinh trưởngđược gọi là dị dưỡng

Dị dưỡng là nguyên nhân làm giảm các chất thải Bằng việc tiêu hoá yếm khí

này, các vi sinh vật yếm khí đã xử lý bùn từ quá trình xử lý nước thải công nghiệp

và nước thải thành phố kể cả trường hợp nước thải công nghiệp có nồng độ đậmđặc Các sinh vật thuộc nhóm này bao gồm các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc hoặc visinh vật kỵ khí không bắt buộc Mật độ của dị dưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật

kị khí có thể là 109  1010 tế bào / ml

Trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí hỗn hợp các đại phân tử hữu cơ baogồm sinh khối vi sinh vật, được khử trùng hợp (sự phân ly các hợp chất phân tử

thành các phân tử nhỏ) sau đó là các quá trình trao đổi chính tạo thành các axit béo,

CO2 và khí H2 Khí H2 ngay sau đó có thể được sử dụng để tạo ra CH4 Trong xử lýchất thải bằng yếm khí , một số lượng lớn các sinh vật khác tham gia trong quá trìnhnày, bao gồm các sinh vật hydrolyzing, các vi sinh vật tạo axit, các vi sinh vật tạokhí metan Metan được tạo ra bằng cách khử trực tiếp các nhóm metyl hoặc bằngcách khử CO2 thành CH4, khí H2 được sử dụng như là tác nhân khử Vài vi khuẩn dịdưỡng trong sự tiêu hoá vi sinh vật yếm khí là :

Clostridium Mạng tế bào, protêin và làm giảm axit nucleicBacteroides Mạng tế bào, protêin và làm giảm tinh bột

Ruminococcus Làm giảm mạng tế bào

Veillonella Làm giảm sự tiết ra sữa

Methanobacterium Sản xuất metan

Methanobrevibacter Sản xuất metan

1.3.3.3 Vai trò của tự dưỡng trong quá trình xử lý nước thải [7]

Vi khuẩn tự dưỡng đóng vai trò quan trọng trong sự tuần hoàn các nguyên tốtrong môi trường tự nhiên và trong các quá trình xử lý nước thải Các sinh vật nàynhận cacbon từ cacbondioxit và do vậy nó không trực tiếp đóng góp trực tiếp đếnnhu cầu oxi sinh hoá (BOD) Chúng nhận năng lượng từ sự oxi hóa các hợp chất vô

cơ có mặt trong chất thải hoặc lấy từ việc phá huỷ các chất dinh dưỡng bằng dị

dưỡng Ví dụ, các chất nền cho sự tự dưỡng bao gồm: NH3, NO2-, H2S, S và khí H2.Hầu hết sự dị dưỡng hoá học là vi khuẩn ưa khí bắt buộc, tất cả các vi khuẩn quang

tự dưỡng (ngoại trừ cyanobacteria ) là các vi khuẩn yếm khí Các nhóm vi khuẩn dịdưỡng hoá học lớn và nguồn năng lượng của chúng là:

Nhóm Loại Oxi hoá chất nền và sản

Vi khuẩn Fe Sphaerotilus fero  ferit

Leptothrix fero  feritCrenothrix fero  feritGallionella fero  ferit

1.3.3.4 Các chu trình trong xử lý yếm khí [7]

Trong môi trường trung tính và trong các quá trình xử lý nước thải, các visinh vật không có chức năng trong sự cô lập nhưng nó sẽ có tác động lẫn nhau đểtiến hành vận chuyển nước Một số vi sinh vật tiến hành bẻ gẫy các phân tử lớn(như mạng tế bào của thực vật và các protein) ở đó có sự làm giảm các sản phẩmkhác của hoạt động trao đổi chất của chúng (như gluco và aminoaxit ) Vài vi sinhvật phải làm việc cùng với nhau để làm giảm chất đơn giản Do đó, để có kết qủa

xử lý cao cần phải có sự tác động thích hợp của tự dưỡng và dị dưỡng Tác độngsinh học của nhiều vi khuẩn là có ý nghĩa nhất trong chu trình sinh học của cácnguyên tố

 Chu trình cacbon Cacbon được quay vòng giữa CO2 và các chất hữu cơđược chỉ ra ở hình 1

19

Cáchợp chất hữu cơ

CH

2O

Sinh trưởng v à

hô hấp của thực vật, động vật v à

Yếm khí Yếm khí

Sự lên men

Sự hô hấp của vi sinh vật yếm khí

Vi khuẩn

ánh

sáng

Hình 1 Chu trình cacbon

Các thực vật và các sinh vật quang tổng hợp có liên quan tới sự chuyển đổi tựdưỡng của CO2 không khí thành sinh khối CO2 được quay vòng trở lại không khíbằng sự tự dưỡng nhờ sự hô hấp của vi khuẩn hiếu khí và lên men Trong điều kiệnhoạt động của các vi sinh vật yếm khí, các chất hữu cơ có thể không bao giờ bị oxihoá hoàn toàn thành CO2 Tỷ lệ của chất nền ban đầu phải được sử dụng như là chấtnhận electron cuối cùng, mà thông qua sự lên men sẽ tạo ra các hợp chất hữu cơ cóphân tử lượng nhỏ như: axetat, lactat, etanol và metan

 Chu trình nitơ Những hoạt động của các sinh vật là thiết yếu trong sựduy trì hoạt của chu trình nitơ được chỉ ra ở hình 2

Sinh khối các hợp chất của nitơ

Hình 2 Chu trình nitơ

Amoni được giải phóng ra đầu tiên từ các hợp chất hữu cơ, như protein bằng

dị dưỡng Mặc dù vài amoni không thể kết lại bằng các sinh vật khi chúng tăngtrưởng, phần còn lại được giải phóng vào môi trường Dưới các điều kiện yếm khí ,amoni không thể bị oxi hoá Chỉ một lượng nhỏ có thể được chuyển đi bằng sự đồnghoá để phát triển các vi sinh vật Dưới các điều kiện yếm khí, nitrat có thể đượcchuyển thành khí N2 bằng vi khuẩn dị dưỡng denitrat hoá Điều này đòi hỏi sự cómặt của các hợp chất hữu cơ để sử dụng khi có nguồn năng lượng khử

 Chu trình sunfua Mặc dù đựợc đòi hỏi một lượng nhỏ nitơ nhưng lưuhuỳnh là một chất dinh dưỡng cần thiết Việc làm giảm chất thải thành phố bằng vikhuẩn dị dưỡng là kết quả của việc giải phóng ra sunfat Chu trình sunfua được chỉ

ra ở hình 3

Đồng hoá cho

định nitỏ

Vi khuẩn dị dưỡng

Nitrat NO

3

-Nitơ không khíDenitơ hoá

Các chất thải hữu cơ chứa S

4 -

kị khí

Oxi hóa vi khuẩn S

tự dưỡng

Vi khuẩn Phototrophic

Vi khuẩn

dị dưỡngSinh khối các hợp chất sunfua hữu cơ

Hình 3 Chu trình sunfua

Dưới các điều kiện yếm khí, các hợp chất hữu cơ được oxi hóa và sunfatđược khử H2S bằng Desulfovibrio H2S không trao đổi chất dưới các điều kiện kịkhí ngoại trừ vi khuẩn quang tự dưỡng mà sử dụng H2S như chất cho electron

1.3.3.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kị khí [4]

1.3.3.5.1 Lên men bùn cặn

Phương pháp này được dùng để xử lý nước thải công nghiệp chứa hàm lượngcác chất hữu cơ cao (BOD = 4  5g/l) Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để

ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ

Do bùn cặn của nước thải công nghiệp thường có hàm lượng ẩm, các muốikim loại và các chất khử bẩn cao nên cần phải tiến hành quá trình lên men ở tảilượng thấp hơn bình thường 25  50%

Quá trình tạo khí metan được tiến hành trong các bể lên men có nguyên lýcấu tạo như sau:

Bùn thô

Vùng chứa bùn

Vùng phânhủy mạnh

Gia nhiệt bùnVùng nước

Khísản phẩm ra

Két khí