Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật

Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật Tổng quan quá trình chuyển hoá các hợp chất Nitơ trong nước thải của vi sing vật luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ LỜI MỞ ĐẦU Hiện vấn đề ô nhiễm môi trường ngày gia tăng quan tâm nhiều nghành, việc ô nhiễm nước thải Đối với nhiều nước thải có hàm lượng chất dinh dưỡng (N,P) trung bình cao, việc xử lý loại thành phần trước xả nhu cầu quan trọng, nhằm hạn chế ô nhiễm nước ngầm, nước mặt Một dạng hợp chất gây nên ô nhiễm nước phải nói đến hợp chất hữu chứa itơ Nếu hàm lượng Nitơ có nước xả thải sông, hồ mức gây tượng nhiễm, điển hình tượng phú dưỡng hóa kích thích phát triển nhanh rong, rêu, tảp làm bẩn nguồn nước Việc áp dụng phương pháp sinh học để xử lý nước thải vấn đề cần ý phát triển, phương pháp dùng vi sinh vật, chủ yếu vi khuẩn để phân hủy hợp chất hữu dễ phân hủy sinh học tạo sản phẩm có lợi carbonic, nước chất vơ khác SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ Q TRÌNH CHUYỂN HĨA HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.1 TỔNG QUAN VỀ NITƠ VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ Nitơ ngun tố hóa học bảng tuần hồn nguyên tố có ký hiệu N số nguyên tử Ở điều kiện bình thường chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị trơ tồn dạng phân tử nitơ, cịn gọi đạm khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí Trái Đất thành phần thể sống Nitơ tạo nhiều hợp chất quan trọng axit amin, axit nucleic, ammoniac, axit nitrite, cyanua… Phân tử nitơ khí tương đối trơ, tự nhiên bị chuyển hóa chậm thành hợp chất có ích mặt sinh học công nghiệp nhờ số thể sống, chủ yếu vi khuẩn Khả kết hợp hay cố định nitơ đặc trưng quan trọng công nghiệp hóa chất đại, nitơ chuyển hóa thành amomniac Ammoniac sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bón, hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất quan trọng khác Các muối acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng hay diêm tiêu, thuốc súng nitrate amoni Các hợp chất nitrate hữu khác, TNT Acid nitrite sử dụng làm chất oxi hóa tên lửa dùng nhiên liệu lỏng Ammoniac hợp chất quan trọng N H Ammoniac có tính bazơ, dung dịch tạo cation amoni (NH4+) Các khác có cấu trúc tương tự dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) nitơ dioxit (NO2) Các oxit tiêu chuẩn dinitơ trioxit (N2O3) dinitơ pentoxit (N2O5), thực tế tương đối không ổn định chất nổ Các axit tương ứng acid nitrơ (HNO2) acid nitrite (HNO3), với muối tương ứng gọi nitrite nitrate Acid nitrite axit mạnh hydroni SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Bảng 1.1 Trạng thái hóa trị hợp chất nitơ hợp chất hóa học Hợp chất Hóa trị Cơng thức hóa học Amoni/ ammoniac Khí Nitơ Dinitơ oxit Nitơ oxit Nitrite Dinitơ trioxit Nitơ dioxit -3 +1 +2 +3 +3 +4 NH4+/ NH3 N2 N2O NO NO2N2O3 NO2 Nitrate +5 NO3- Dinitơ pentoxit +5 N2O5 1.2 Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CÁC HỢP CHẤT CỦA NITƠ 1.2.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ Trong tự nhiên nitơ tồn nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia chuyển hóa nhiều q trình, quan trọng chuyển hóa dạng hợp chất vô hữu chứa nitơ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Nitơ khí quyể n Nú i lửa Tia sét ure â Vi khuẩn cố định N rể Vi khuẩn cố định đất mưa Đồng hóa Xác động thực vật Năng lượng tỏa từ công nghiệp Phân bón Nhiên liệu hóa thạch Khử nitrat Phân hủy (vi khuẩn, Amon nấm) hóa Họat động người Họat động tự nhiên Hình 1.1 Chu trình sinh địa hóa nitơ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Hợp chất nitơ vơ đơn giản hết nitơ tự không khí Nitơ vơ chuyển hóa thành nitơ hữu nhờ trình cố định nitơ vi sinh vật, thực vật Trong thể sinh vật, nitơ tồn chủ yếu dạng hợp chất đạm hữu protein, acid amin Khi thể sinh vật chết lượng nitơ hữu tồn đất Dưới tác dụng nhóm vi sinh vật hoại sinh thực q trình amon hóa phân giải thành acid amin Các acid amin lại nhóm vi sinh vật phân giải thành ammoniac Ammoniac tiếp tục chuyển hóa thành hợp chất nitrite, nitrate nhờ nhóm vi sinh vật nitrate hóa Dạng nitrate chuyển hóa thành nitơ phân tử nhờ q trình phản nitrate hóa trả lại nitơ tự cho khí Như vậy, vịng tuần hồn nitơ khép kín Trong hầu hết giai đoạn chuyển hóa vịng tuần hồn có tham gia vi sinh vật khác Nếu hoạt động nhóm ngừng lại, tồn chuyển hóa vịng tuần hồn bị ảnh hưởng nghiêm trọng Hợp chất nitơ (protein, urea…) Vi sinh vật thủy phân Tạo sinh khối Ammoniac Tế bào nitơ hữu Tế bào thực vật Phân hủy nội bào NO2Khử nitra t NO-3 Khí Nitơ Chất hữu Carbon Hình 1.2 Chu trình nitơ 1.2.2 Q trình amon hóa SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Q trình amon hóa q trình oxy hóa hợp chất nitơ hữu acid amin, protein, ure … thành nitơ vơ cơ, CO2 nước Q trình amon hóa bao gồm q trình 1.2.2.1 Amon hóa ure Ure có thành phần nước tiểu người động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu Trong công thức cấu tạo, ure chứa tới 46,6% nitơ, nguồn dinh dưỡng đạm tốt với trồng Q trình amon hóa chia làm hai giai đoạn Đầu tiên, tác dụng enzyme urease tạo vi sinh vật, ure phân hủy tạo thành muối carbonat amoni Sau đó, carbonat amoni chuyển hóa thành NH 3, CO2 H2O phản ứng hóa học thơng thường CO(NH2)2 + 2H2O (NH4) CO3 (giai đọan 1)  (NH4) CO3  2NH3 + CO2 + H2O (giai đoạn 2) Một số loài vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae Đa số chúng thuộc nhóm hiếu khí kỵ khí khơng bắt buộc, chúng ưa pH trung tính kiềm Bởi sử dụng ure làm phân bón người ta kết hợp với bón vơi, đồng thời xới xáo làm thống đất 1.2.2.2 Amon hóa protein Protein thành phần quan trọng tế bào sinh vật Khi sinh vật chết đi, protein tích lũy đất Protein chứa 15 – 17% nitơ trồng hấp thụ trực tiếp protein mà phải thông qua trình amon hóa Q trình xảy điều kiện hiếu khí kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả tiết enzyme protease bao gồm proteinase peptidase Enzyme protease xúc tác trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm acid amin Dưới tác dụng enzyme proteinase phân tử protein phân giải thành polypeptide oligopeptide Các chất tiếp tục phân hủy thành axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào tế bào vi khuẩn hấp thụ sau phân hủy tiếp thành acid amin tế bào Một phần axit amin tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối Một phần acid amin theo SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ đường phân giải khác để sinh NH 3, CO2 sản phẩm trung gian khác Với protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase nhóm vi khuẩn Hấplưu thụhuỳnh vào tế bào nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, bị phân hủy tạo H 2S, scatol, indol hay mercaptan Protease Protein peptitdase Oligopeptide, Acid amin polypeptide NH3, NH4+ Khử acid amin Trong điều kiện hiếu khí, acid amin bị vơ hóa tạo sản phẩm ammoniac, carbonic nước Trong điều kiện kỵ khí lại diễn q trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu axit hữu cơ, rượu H 2S sản phẩm bốc mùi khó chịu indol scatol Khử amin xảy theo phương thức sau: R – CH(NH2)COOH  R – CHCOOH + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O  R – CH2OH – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH + ½ O2  R – CO – COOH + NH3 R – CH(NH2)COOH + O2  R – COOH + CO2 + NH3 R – CH(NH2)COOH +H2O  R – CO – COOH +NH3 + 2H Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả phân hủy protein: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S griseus Vi nấm: Aspergillus oryzae, A flavour, A niger, Penicilium camemberti… Vi sinh vật yếm khí : Vi khuẩn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện : Vi khuẩn Proteus vulgaris, Bacillus coli… 1.2.3 Q trình Nitrate hóa Sau q trình amon hóa, NH3 hình thành phần thực vật hấp thụ, phần kết hợp với hợp chất đất tạo thành muối amon với ion NH4+ SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Một phần muối amon trồng vi sinh vật hấp thụ, phần oxy hóa thành nitrate Q trình nitrate hóa bao gồm giai đoạn: nitrite hóa nitrate hóa 1.2.3.1 Giai đoạn nitrite hóa Là q trình oxy hóa NH4+ tạo thành NO2- tiến hành vi khuẩn nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả oxy hóa NH 4+ oxy khơng khí tạo lượng NH4+ + 3/2 O2  NO2- + H2O + 2H + Năng lượng Năng lượng dùng để đồng hóa CO tạo carbon hữu Enzyme xúc tác cho trình enzyme q trình hơ hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite hóa bao gồm chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystis, Nitrozolobus, Nitrosospira 1.2.3.2 Giai đoạn nitrate hóa NO2- tạo thành tiếp tục oxy hóa thành NO 3- nhóm vi khuẩn nitrate Đây vi khuẫn tự dưỡng hóa năng, thực phản ứng oxi hóa nitrite để cung cấp lượng cho q trình đồng hóa Năng lượng CO2 NO2- + ½ O2  NO3- + Nhóm vi khuẩn nitrate gồm chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus Ngồi nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa nói trên, đất cịn có số loài vi sinh vật dị dưỡng tiến hành q trình nitrate hóa Đó lồi vi khuẩn xạ khuẩn thuộc chi Pseudomonas, Corynebacterium, Streptomyces 1.2.4 Quá trình phản nitrate Các hợp chất đạm dạng nitrate đất dễ bị khử thành nitơ phân tử Quá trình gọi trình phản nitrate hóa thực điều kiện kỵ khí nhờ vi sinh vật phản nitrate hóa Khi đó, NO 3- chất nhận điện tử cuối chuổi hơ hấp kỵ khí lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho tế bào Nhóm vi khuẩn thực q trình phản nitrate hóa phân bố rộng rãi đất Thuộc nhóm tự dưỡng hóa có Thiobacillus denitrificans, hydrogenomonas agilis thuộc nhóm dị dưỡng có Pseudomonas denitrificans, Micrococcus denitrificanas, Bacillus licheniformis SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Trong mơi trường tự nhiên ngồi q trình phản nitrate sinh học nói cịn có q trình phản nitrate hóa học khơng có tham gia vi sinh vật thường xảy pH < 5.5 1.2.5 Quá trình cố định Nitơ Quá trình cố định nitơ sinh học trình khử nitơ thành NH tác dụng enzyme enzyme nitrogenase vi sinh vật Đây trình quan trọng để chuyển hóa nitơ vơ thành nitơ hữu Có nhóm vi sinh vật có khả cố định nitơ: Nhóm cộng sinh với họ đậu, nhóm sống tự đất nhóm tảo Trong đó, góp phần quan trọng nhóm Rhizobium sống cộng sinh với họ đậu Cơ chế trình cố định nitơ cần enzyme nitrogenase vi sinh vật, leghemoglobin thực vật lượng tế bào Nitrogenas e N2 + 6e + 12ATP + 12H2O  2NH4+ + 12ATP + 12P + 4H+ Nitrogenase bao gồm thành phần khác nhau, phần gồm protein Fe, phần gồm protein, Fe, Mo Electron chất khử vào thàh phần thứ nitrogenase (phần chứa protein Fe) sau chuyển sang thành phần thứ hai, qua electronic hoạt hóa phản ứng với nitơ Nitơ qua hai thành phần nitrogenase hoạt hóa Hydro hoạt hóa nhờ enzyme hệ thống hydrogenase Năng lượng dùng trình ATP tế bào Cuối NH hình thành NH3 hình thành đến mức độ kiềm hãm họat động Nitrogenase, yếu tố điều hịa hoạt tính enzyme Như vậy, tóm tắt q trình chuyển hóa hợp chất nitơ tự nhiên sau: Vi khuẩn nitrate hóa SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ nitrosomo nas NH3 Phân hủy Protein nitrobact er NO2- NO3- Vi khuẩn phản nitrate hóa NO3- NO3- NO N2O N2 N2 Quá trình quang hợp e Leghemoglobin e ATP Nitrogenaza NH3 Bảng 1.2 Tóm tắt q trình chuyển hóa nitơ tự nhiên Q trình Amon hóa Cơ chất Hợp chất nitơ Sản phẩm Nitơ vô cơ, CO2 hữu nước 10 Vi sinh vật tham gia Bacillus mycoides, B mesentericus, SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ dưỡng lượng Như vậy, chất hữu tách khỏi nước, khối lượng màng vi sinh vật tăng lên Màng vi sinh vật chết trôi theo nước đưa khỏi thiết bị lọc sinh học Vật liệu đệm vật liệu có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ diện tích bề mặt lớn sỏi, xơ dừa Màng vi sinh vật đóng vai trị tương tự bùn hoạt tính, hấp thụ phân hủy chất hữu nước thải Tuy nhiên, vận tốc oxy hóa thiết bị lọc sinh học thấp aerotank Phần lớn vi sinh vật có khả xâm chiếm bề mặt vật rắn nhờ polymer ngoại bào, tạo thành lớp nhầy Quá trình diễn phức tạp Ban đầu, oxy thức ăn vận chuyển tới bề mặt lớp màng Lúc này, bề mặt lớp màng tương đối nhỏ, oxy có khả xuyên thấu vào tế bào Theo thời gian bề dầy lớp màng tăng lên, dẫn tới việc bên màng hình thành lớp kỵ khí nằm lớp hiếu khí Khi chất hữu khơng cịn, tế bào bị phân hủy, tróc thành mảng, theo dịng nước Hình 3.2 Cơ chế màng lọc sinh học Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý thiết bị lọc sinh học chất chất hữu nhiễm, vận tốc oxy hóa, cường độ thống khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh vật… 32 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ 3.3.2 Các hệ thống sinh học kỵ khí 3.3.2.1 Lọc sinh học kỵ khí hai giai đoạn Hệ thống sinh học kỵ khí hai giai đọan gồm có: Ở giai đọan đầu, hoạt động sinh hóa lỏng hóa hợp chất hữu cơ, phân hủy hợp chất hữu hòa tan q trình axit hóa hợp chất hữu Ở giai đoạn hai xảy chủ yếu khí hóa (tạo metan), nhiên có phân chia bề mặt phân hủy bùn Giai đoạn đầu thường trình phân hủy tải trọng cao với khuấy trộn liên tục hỗn hợp, giai đoạn hai thường có tải trọng thấp với phân riêng bùn nước Các chất hữu cung cấp ban đầu dòng vào giai đoạn thường lớn giai đoạn hai Hầu hết bể phân hủy giữ nhiệt độ 29,4 0C – 37,80C để đẩy mạnh thời gian phân hủy Thơng thường axit hóa khơng xảy bùn khô thêm vào lượng bùn dư ngày không vượt – 5% lượng bùn khô có hệ thống Sự axit thể giảm pH, hạn chế phát triển vi khuẩn methane, giảm khả tạo khí, Vì có phát mùi khó chịu, tạo bọt bùn 3.3.2.2 Bể bùn kỵ khí dịng chảy ngược – UASB( Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor) Bể UASB sử dụng rộng rãi để xử lý loại nước thải nhà máy công nghiệp thực phẩm chứa nồng độ chất hữu cao Bể chia làm ngăn: ngăn lắng ngăn lên men Trong bể diễn hai trình: lọc nước thải qua tầng cặn lơ lửng lên men lượng giữ lại Khí metan tạo lớp bùn Hỗn hợp khí – lỏng bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng Với quy trình này, bùn tiếp xúc tốt với chất hữu có nước, di từ lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy Trong bể vi sinh vật liên kết với hình thành hạt bùn lớn đủ nặng để không bị trôi khỏi bể Các loại khí tạo bể kỵ khí ( chủ yếu CH CO2) tạo dịng tuần hồn cục giúp cho việc hình thành hạt bùn hoạt tính giữ cho chúng ổn định 3.3.2.3 Lọc kỵ khí bám dính cố định 33 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định có sử dụng vi sinh vật bám dính vật liệu lọc đặt bể có dịng nước thải chảy từ lên từ xuống màng vi sinh vật bám dính khơng bị rửa trơi q trình xử lý Dịng nước thải vào dịng tuần hồn phân bố từ bên sang bên bể phản ứng sinh học Quá trình xử lý xảy kết bùn lơ lửng hòa trộn sinh khối giữ lại màng lọc Dòng chảy phần màng, tập hợp tác nhân bị đào thải Khí nằm phía bể phản ứng thu lại chuyển sang nơi khác để xử dụng sau 3.3.2.4 Bể phản ứng kỵ khí đệm giãn nỡ - FBR, EBR (fluidized and aepanded bed reactor) Các vi sinh vật bám dính chất mang phân bố khắp thiết bị nhờ tốc độ dịng chảy ngược thích hợp, làm giãn nỡ lớp cát Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí có đệm giãn, tốc độ dịng chảy ngược đủ lớn để ngăn gắn kết sinh khối hạt chất mang này, kết làm gia tăng thể tích đệm so với thể tích thực Trong đệm giãn nỡ, vận tốc dòng chảy ngược làm giảm đệm từ 15 – 30% Với thể tích giãn nỡ này, kết dính sinh khối ngăn chặn phần dòng chảy phần khác tiếp xúc với sinh khối kết dính liền kề Dưới điều kiện này, sinh khối kết dính bị ngăn chặn hồn tồn dịng chảy ngược di chuyển tự mơi trường đệm Khí sinh kết tiếp xúc 3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ NITƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIỆN NAY Do đặc điểm q trình, xử lý nitơ thực hai phương án: khử nitrate riêng biệt tổ hợp hai trình hệ sinh khối Khử nitrate riêng biệt tiến hành xử lý nguồn nước bị oxy hóa trước đó, nguồn nước chứa nitrate Do xử lý riêng biệt nên cần bổ sung chất hữu methanol, ethanol… Tổ hợp xử lý oxy hóa – khử (nitrate hóa khử nitrate hóa) hệ sinh khối hay cịn gọi hệ xử lý khử nitrate trước, q trình oxy hóa đặt sau sử dụng bể lắng thứ cấp 34 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ 3.4.1 Loại bỏ nitrate bùn hoạt tính Loại bỏ nitrate tạo điều kiện cho vi sinh vật khử nitrate phản nitrate hoạt động để khử nitrate thành Nitơ phân tử hay bay vào khơng khí Do phương pháp sinh học hay dùng nhiều để loại bỏ ô nhiễm chất chứa nitơ Các điều kiện cấn thiết để khử nitrate là: Trước hết phải có q trình nitrate hóa xảy lượng nitrate tích tụ lớn mơi trường Cần có nguồn carbon hữu có khả đồng hóa Quan hệ với khơng khí hiếu khí (anoxic), nguồn carbon là nước thải thô, để thỏa mãn việc loại bỏ nitrate, người ta bổ sung nhũng hợp chất hữu dễ bị vi sinh vật đồng hóa, việc bổ sung nguồn carbon từ bên cần thiết Khử nitrate chuyển hóa nội sinh sinh khối vi sinh vật tạo Trong bùn hoạt tính có số tế bào vi sinh vật chết tự phân hủy, chất dinh dưỡng hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrate vi sinh vật nói chung Trong bể aerotank đơn giản làm thoáng kéo dài, với kiểu làm việc khơng liên tục máng sục khí, cho phép khử nitrate phần hiệu toàn q trình (nitrate hóa khử nitrate hóa) đạt hiệu suất không vượt 70% Để thu hiệu loại bỏ nitơ sinh học cao trạm xử lý lớn phải đưa thêm vào đầu bể thoáng khí (aerotank) vùng thiếu khí (anoxic) Vùng thiếu khí nhận bùn tuần hoàn đưa từ bể lọc thứ hai trở lại với lượng lớn Vùng cung cấp nguồn nước thải Sau lọc với bùn hồi lưu, trộn khơng sục khí hiệu loại bỏ nitơ sinh học theo kiểu đạt tới 95% điều kiện tối ưu 3.4.2 Khử nitrate sinh trưởng thể huyền phù Khử nitrate sinh trưởng thể huyền phù thường thực hệ thống bùn hoạt tính hóa theo kiểu dòng ( nghĩa sau bật kỳ q trình chuyển hóa ammoniac nitrogen dạng hữu thành nitrate – nitrate hóa ) Các vi khuẩn kỵ khí nhận lượng để tăng trưởng từ việc chuyển nitrate qua thành khí nitrogen địi hỏi nguồn carbon bên để thực tổng hợp tế bào 35 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Các dịng nitrate hóa thường chứa hợp chất có carbon methanol thường dùng làm nguồn carbon, chất thải công nghiệp nghèo chất dinh dưỡng dùng Vì nitrogen tạo thành phản ứng khử nitrate cản trở lắng xuống hỗn hợp dịch nên bể phản ứng khử nitrogen phải hoạt động trước bể lắng trình khử nitrate Việc khử methanol dư lại, kể BOD thuận lợi việc dùng bể khử khí nitrogen 3.4.3 Loại bỏ nitrate màng sinh học Khử nitrate vi sinh vật phản nitrate hóa màng sinh học sinh trưởng gắn kết cố định lọc sinh học hiệu cao Nước chảy qua màng vi sinh học, nitrate hóa xảy đồng thời với oxy hóa BOD5 chậm Khử nitrate theo phương pháp thường thực tháp lọc có chứa sỏi vật liệu tổng hợp Các màng sinh học hình thành bám dính vào bề mặt vật liệu nước thải chảy qua Lọc sinh học hiếu khí cần cấp khơng khí qua Cũng q trình khử nitrate theo kiểu sinh trưởng lơ lửng (bùn hoạt tính), khử nitrate theo kiểu sinh trưởng cố định cần bổ sung nguồn carbon hữu để cung cấp cho vi sinh vật nitrate hóa khử nitrate xây dựng tế bào Nước thải sau qua xử lý có BOD = 2.5%mg/l, NH4+ = 3mg/l, hiệu phân hủy BOD = 89%, lọai bỏ huyền phù 88% tổng Nitơ 85% 3.4.4 SBR Các giai đoạn trình SBR xảy nối tiếp bể Chuỗi nối tiếp giai đoạn trình xử lý gồm: nạp đầy, phản ứng, lắng, tháo chờ Khử nitơ SBR thành hai giai đoạn sau: o Giai đoạn 1: giai đoạn giai đoạn thổi khí nhằm kết hợp oxy hóa carbon nitrate hóa o Giai đoạn 2: giai đoạn hai giai đoạn thiếu khí thực q trình khử nitrate hóa 3.4.5 Q trình BARDENPHO Gồm vùng hiếu khí thiếu khí xen kẽ, dịng tuần hồn từ vùng thiếu khí đến vùng thiếu khí đầu chuỗi với lưu lượng – lần lưu lượng vào Q trình khử nitơ hồn thiện so với trình một, hai, ba bậc Vùng hiếu khí thứ 36 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ khơng đạt khử nitrate hồn tồn vùng thiếu khí thứ hai khử bổ sung thêm khử lượng nitrate từ vùng hiếu khí thứ hai sang cách hồn tồn sử dụng carbon từ q trình hơ hấp nội bào vi sinh vật Vùng hiếu khí sau khử nitơ khỏi hỗn hợp bùn lỏng để ngăn ngừa bùn bể lắng đợt hai Hình 3.3 Sơ đồ trình BARDENPHO 37 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ CHƯƠNG ỨNG DỤNG VI SINH VẬT CÓ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHỨA NITƠ 4.1 CÁC CHẾ PHẨM SINH HỌC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ HÀM LƯỢNG NITƠ CAO Chế phẩm sinh học sản phẩm có chứa số nhóm vi sinh vật Bacillus sp, Nitrosomonas sp, Nitrobacter sp, Pseudomonas….ngồi thành phần cịn có chứa enzyme (men vi sinh) protease, lipase Tác dụng chế phẩm sinh học đưa vào môi trường nước ô nhiễm tạo điều kiện cho vi sinh vật hoạt động tốt Phân hủy hợp chất hữu nước ( chất hữu nguyên nhân làm môi trường nước bị ô nhiễm) giảm gia tăng lớp bùn đáy, giảm độc tố môi trường nước (do chất khí NH 3, H2S… phát sinh ) giảm mùi hôi nước thải Ức hoạt động phát triển vi sinh vật có hại, giúp ổn định pH nước thải, ổn định màu nước chế phẩm sinh học hấp thụ chất dinh dưỡng hịa tan nước Do việc xử dụng chế phẩm sinh học có ý nghĩa nhiều mặt việc nâng cao hiệu kinh tế cho trình xử lý nước thải 4.1.1 Các chế phẩm sinh học xử lý nước thải chứa nitơ thị trường Hiện chế phẩm sinh học sử dụng rộng rãi lĩnh vực môi trường xử lý nước thải chứa nồng độ nitơ ( chất hữu cơ) cao 4.1.1.1 Men vi sinh JUMBO Hình 4.1 Men vi sinh JUMBO 38 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Sản phẩm sản xuất Công Ty TNHH Điền Giang Men vi sinh JUMBO hổn hợp dạng bột (hoặc lỏng) bao gồm chủng vi khuẩn (Bacillus subtilis, Bacillus lichenformic, Bacillus polymisa), nấm enzyme protease, lipase Trong 100g sản phẩm chứa 3,5 ×108 cfu Bacillus có khả hoạt động mạnh môi trường chứa chất hữu nước thải Men vi sinh tạo lớp bùn hoạt tính bổ sung cho lớp bùn hoạt tính cũ bể vi sinh làm tăng khả xử lý hợp chất trình xử lý nước thải Cách sử dụng men vi sinh đưa vào giai đoạn khởi động hệ thống, hòa tan 1kg men vi sinh vớo lít nước sau đổ lên bề mặt vi, sinh hồ sinh học để tạo lớp bùn hoạt tính (bùn hiếu khí hay kỵ khí) vào lớp màng vi sinh có sẳn q trình xử lý nước thải cấy 1kg cho – m nước thải, cải tạo bổ sung 1kg cho 10 – 15m3 nước thải Nhằm đảm bảo cho trình xử lý triệt để bổ sung thêm vi sinh để tăng khả xử lý nước thải bể xử lý sinh học Vi sinh vật bổ sung chế phẩm giúp cho trình phân giải hợp chất hữu cơ, làm giảm lượng BOD, COD, NH3 mùi hôi 4.1.1.2 Chế phẩm sinh học EMIC Hình 4.2 Chế phẩm EMIC Hãng sản xuất MITECOM Công Ty cổ phần công nghệ vi sinh mơi trường 39 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Chế phẩm EMIC thành phần gồm hỗn hợp vi sinh hữu ích có khả na7ng phân giải mạnh protein , có khả sinh chất ức chế, chất kháng sinh vi sinh vật có hại Chế phẩm vi sinh EMIC sử dụng q trình xử lý hiếu khí Nồng độ vi sinh vật tổng số khoảng > 109 cfu/g EMIC có tác dụng phân giải nhanh hợp chất hữu nước thải, làm giảm tối đa mùi hôi chất thải hữu Đặc biệt phân giải nhanh rác thải có hàm lượng Nitơ chất hữu cao EMIC chế phẩm trung tính, an tồn, khơng độc hại với người, giai súc môi trường Đối nước thải công nghiệp cấy vi sinh khoảng 40 rg/m cho lần đầu hệ thống mới, sử dụng nước thải bổ sung hàng ngày tuần lần với luợng – 4gr/m3/ ngày đêm nước thải hữu Hệ thống vận hành đảm bảo để vi sinh vật hoạt động tốt 2gr/m bể điều hòa 2gr/m3 bể hiếu khí 4.1.1.3 AQUAPOND Hình 4.3 Chế phẩm AQUAPOND Sản phẩm Công Ty TNHH TM Văn Minh AB Chế phẩm bao gồm số loài bacillus licheniformis, bacillus megaterium, bacillus stearothermophilus, bacillus subtilis, Pseudomonas enzyme protease, lipase Chế phẩm AQUAPOND có chức phân hủy hợp chất hữu chứa nitơ từ thức ăn thải Chất bùn bã, chất hữu lơ lửng nhờ khả tổng hợp enzyme phân 40 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ hủy hữu protease, amylase lipase Chúng cịn có chức tổng hợp chất kháng khuẩn làm giảm số lượng vi sinh vật gây bệnh cải thiện cho mơi trường xung quanh 4.2 MỘT SỐ QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐẶC TRƯNG 4.2.1 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chăn ni heo Nướ c thải Bể biogas Ao lọc sinh học kỵ khí Ao tùy nghi Ao lọc sinh học bậc Ao lọc sinh học bậc Nươ ùc Hình 4.4 Quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo Thuyết minh quy trình Nước thải trước tiên thu gom bể Biogas Vì đa phần hợp chất hữu nước thải dễ phân hủy nên qua bể Biogas, khoảng 50 – 60% COD 70 – 80% cặn lơ lủng bị loại bỏ Từ bể Biogas, nước thải dẫn vào ao lọc sinh học kỵ khí có giá đỡ xơ dừa làm đệm sinh học Trong trình màng, vi sinh vật cố định dính bám phát triển bề mặt vật liệu đệm rắn tạo thành lớp màng sinh học Ở xảy trình phân hủy chất hữu vi sinh vật kỵ khí, chuyển hóa chất hữu phức tạp thành chất đơn giản, dễ phân hủy hơn, tạo thành sản phẩm cuối CO2, CH4, H2S, NH4 Sau qua khỏi ao lọc sinh học kỵ khí, nước thải đưa vào ao tùy nghi với thời gian lưu khoảng 10 ngày Q trình khử chất nhiễm hồ tiến hành hoạt động vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí tùy nghi Sự phân bố quần thể vi sinh diễn theo chiều sâu hồ 41 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ Từ ao tùy nghi, nước thải chảy vào ao lọc sinh học bấc bậc Nhìn chung pH sau trình thường đạt trung tính (pH = ) Tạo ao lọc sinh học bậc 1, hiệu khử COD đạt 50 – 68% Ao lọc sinh học bậc cho hiệu khử COD đạt 15 – 50% Như áp dụng ao sinh học hiếu khí cho phép khử 80 – 90% COD, 80 – 86% Nitơ 4.2.2 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột Nước thải vào Hồ tùy nghi Hồ hiếu khí Bể lọc sinh học kỵ khí Song chắn rác Bể trung hịa Hồ hiếu khí Bể lắng Bể axit hóa Nước sau xử lý Sân phơi bùn Hình 4.5 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải sản xuất tinh bột Thuyết minh công nghệ Trước tiên nước thải dẫn hồ ổn định, sau qua song chắn rác để loại bỏ tạp chất gây tắc nghẽn hệ thống xử lý Tại hồ ổn định nước thải đưa vào bể lắng, lượng cặn tinh bột mịn thu hồi làm thức ăn gia súc Nước thải sau lắng bơn đến bể axit hóa với thời gian lưu nước ngày với mụ đích khử CN- chuyển hóa chất khó phân hủy thành hợp chất đơn giản dễ xử lý sinh học Vi sinh vật hoạt động bể axit hóa bổ sung từ bùn tự hoại phân bò tươi Kế tiếp, nước thải tự chảy vào bể trung hịa, vật liệu trung hịa đá vơi Nước thải sau trung hịa có pH vào khoảng – 6.5 thuận lợi cho trình xử lý sinh học Từ đây, nước thải tự chảy đến bể lọc sinh học kỵ khí với thời gian lưu 42 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ nước hai ngày Vật liệu lọc sơ dừa dạng sợi tơi, có diện tích tiếp xúc bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật kỵ khí bám dính, phát triển tốt Mầm vi sinh vật đưa vào ban đầu bùn tự họai Cuối nước thải xử lý qua hệ thống hồ sinh học nhằm khử triệt để chất hữu đặt biệt khử nitơ Hệ thống hồ sinh học bao gồm hồ tùy nghi (lưu nước 20 ngày), hồ hiếu khí (lưu nước 10 ngày), hồ hiếu khí 2( lưu nước ngày) Bùn sau lắng bùn sinh từ trình lọc kỵ khí xả định kỳ vào bể phơi bùn tận dụng làm phân bón CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN 43 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hồng Mỹ Áp dụng trình sinh học việc xử lý nitơ hợp chất hữu có nước thải phương pháp có hiệu cao Hàm lượng nitơ nước thải sau qua xử lý phương pháp sinh giảm từ 80 – 90 % so với lượng ban đầu Các phương pháp sinh học sử dụng để khử nitơ nước thải cần có điều kiện thực khắc khe tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển Tiến hành nhiều phương pháp khác trước tiến hành xử lý phương pháp sinh học 5.2 KIẾN NGHỊ Cần có kinh tế diện tích tiến hành phương pháp sinh học xử lý nước thải với quy mô lớn thời gian ngắn Nhằm xử lý triệt để lượng nước thải ngành Cần có nhiều nghiên cứu khác để xo sánh mức độ, khà xử lý cơng trình xử lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty - Vi Sinh Vật Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục 44 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ [2] Lê Văn Cát – Xử Lý Nước Thải Giàu Nitơ Và Photpho –Nhà Xuất Bản Hà Nội, 2007 [3] PGS TS Nguyễn Văn Phước – Giáo Trình Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Và Công Nghiệp Bằng Phương Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Xây Dựng – 2007 [4] Trần Cẩm Vân – Giáo Trình Vi Sinh Vật Mơi Trường – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội [5] Nguyễn Đức Lượng – Công Nghệ Enzyme – Nhà Xuất Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [6] Lê Ngọc Tú, La Văn Chứ, Nguyễn Lân Dũng, Phạm Trân Châu – Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 1982 [7] PGS TS Lương Đức Phẩm – Công Nghệ Xử Lý Nước Thải Bằng Biện Pháp Sinh Học – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam [8] Nguyễn Đức Lượng,Nguyễn Thị Thùy Dương - Công nghệ sinh học môi trường – Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam [9] Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 23 (2007) 75-85 [10] Hoàng Huệ - Xử lý nước thải - NXB Xây dựng Hà Nội, 1996 [11] Ngô Tự Thành, Bùi Thị Việt Hà, Vũ Minh Đức, Chu Văn Mẫn - Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25 (2009) 101-106 [12] PGS.TS Nguyễn Xuân Thành - Giáo Trình Vi Sinh Vật Học Công Nghiệp – Nhà Xuất Bản Giáo Dục [13] Nguyễn Lân Dũng, Bùi Thị Việt - Dinh Dưỡng Của Vi Sinh Vật – Nhà Xuất Bản Hà Nội [14] Nguyễn Đức Lượng - Vi sinh vật công nghiệp, Công nghệ vi sinh Tập - NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2006 [15] Nguyễn Tiến Thắng, Giáo trình cơng nghệ enzyme - Trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp.HCM, 2008 TÀI LIỆU INTERNET [1] http://thuviensinhhoc.com [2 http://baigiang.violet.vn 45 SVTH Phạm Thị Huệ Khóa Luận Tốt Nghiệp GVHD Nguyễn Hoàng Mỹ [3 www.xulynuocthai.net [4 www.khoahoc.com.vn [5 www.wikipedia [6 http://diendansinhviendanang.com 46 SVTH Phạm Thị Huệ ... 2.3 Quá trình chuyển hóa vật chất vi sinh vật Nguồn: Nguyễn Đức Lượng (2003), Công nghệ xử lý nước thải 2.5 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HĨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI Trong nước thải, nitơ thường tồn ba dạng: nitơ. .. 2.4 Chu trình Nitơ nước thải 2.6 HỆ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 2.6.1 Vi khuẩn Vi khuẩn nhóm vi sinh vật có mặt hầu hết loại nước thải Đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cao nước thải từ... Nguyễn Hồng Mỹ Hợp chất nitơ vơ đơn giản hết nitơ tự khơng khí Nitơ vơ chuyển hóa thành nitơ hữu nhờ trình cố định nitơ vi sinh vật, thực vật Trong thể sinh vật, nitơ tồn chủ yếu dạng hợp chất đạm