a, Điều kiện để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan gồm hidratcacbon, protein và các hợp chất chứa nitơ, các dạng chất béo… cùng một số chất vô cơ như H2S, các Sulfit, Amoniac… có thể đưa vào xử lý theo các phương pháp sinh học.
Phương pháp xử lý sinh học nước thải dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Do vậy, điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải.
Muốn đảm bảo điều kiện này nước thải phải:
- Không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải. Trong số các chất độc phải chú ý đến hàm lượng các kim loại nặng.
Theo mức độ độc hại của các kim loại, xếp theo thứ tự:
Sb > Ag > Cu > Hg > Co ≥ Ni ≥ Pb > Cr+3 > V ≥ Cd > Zn > Fe
Muối của các kim loại này ảnh hưởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật, nếu quá nồng độ cho phép, các vi sinh vật không thể sinh trưởng được và có thể bị chết. Như vậy, không thể tiến hành xử lý sinh học. Nồng độ muối của chúng thấp hơn giới hạn sẽ làm giảm tốc độ làm sạch nước.
- Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. Các hợp chất hidratcabon, protein, lipit hòa tan thường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật.
- Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số đặc trưng là COD và BOD. Tỉ số của 2 thông số này phải là: COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kị khí (Trần Đức Hạ, 2006) [6].
b. Các phương pháp xử lý sinh học
Xử lý nước thải theo phương pháp sinh học là dựa trên cơ sở hoạt động của các vi sinh vật có sẵn trong nước thải, chúng có khả năng sử dụng các chất hữu cơ có trong đó làm nguồn năng lượng để thực hiện quá trình sinh trưởng và phát triển. Phương pháp này thực hiện sau khi đã xử lý sơ bộ nước thải và áp dụng thích hợp với các loại nước thải có chỉ số BOD/COD trong khoảng 0,5 – 1
(Trần Văn Nhân, 2002) [10].
Dựa vào hoạt động của các vi sinh vật, người ta chia làm 3 phương pháp xử lý nước thải chính là:
- Phương pháp kỵ khí (Anaerobic). - Phương pháp thiếu khí (Anoxic). - Phương pháp hiếu khí (Aerrobic).
* Phương pháp kỵ khí (Anaerobic):
Phương pháp này thích hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao (COD > 2000mg/l), có khả năng thu hồi năng lượng (biogas), chi phí vận hành thấp, thể tích công trình nhỏ… Tuy nhiên, nó có những nhược điểm là sinh ra nhiều các dạng khí độc, các loại khí gây mùi hôi thối làm ô nhiễm không khí, thời gian xử lý kéo dài.
Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy hòa tan trong cặn và trong nước thải ở điều kiện nhiệt độ thích hợp. Sản phẩm của quá trình này là các chất khí CH4, CO2, H2S, N2… quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra trong vòng từ 3 đến 6 tháng ở điều kiện bình thường, khi nhiệt độ lên tới 400
C – 500C thời gian phân hủy sẽ rút ngắn ( Winter, 1994) [28].
* Phương pháp thiếu khí (Anoxic):
Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan, việc khử nitrat sẽ xảy ra. Oxy được giải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa các chất hữu cơ và Nitơ tạo thành.
Các phản ứng Nitrat hóa:
NO3- vi sinh vật NO2 + O2
O2 chất hữu cơ N2 + CO2 + H2O
* Phương pháp hiếu khí:
Phương pháp này dựa trên hoạt động của các quần thể vi sinh vật hiếu khí có sẵn trong nước thải. Chúng oxy hóa các chất hữu cơ bằng oxy hòa tan liên tục vào trong nước thải ở nhiệt độ khoảng 200
C – 400C. Kết quả là các chất bẩn trong nước thải bị phân hủy và nước được làm sạch, sản phẩm của quá trình này là CO2 và H2O. Các chất hữu cơ trong nước thải được oxy hóa và phân giải theo 3 giai đoạn:
năng lượng của tế bào.
CxHyOzN + O2 Vi sinh vật CO2 + H2O + NH3
- Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp để tăng số lượng vi sinh vật.
CxHyOz + NH3 + O2 (C5H7NO2)n + CO2 + H2O (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Giai đoạn 3: Tiếp tục quá trình oxy hóa đến khi không còn đủ
chất dinh dưỡng thì diễn ra quá trình hô hấp nội bào hay oxy hóa các chất liệu tế bào.
(C5H7NO2)n + O2 CO2 + NH3 + H2O
Tất cả các phản ứng hóa học trên đều xảy ra dưới tác dụng của các enzym ngoại bào hay nội bào do vi sinh vật sinh tổng hợp ra. Trong quá trình oxy hóa khử các chất hữu cơ được phân hủy theo thứ tự lần lượt là đường, protein, tinh bột, chất béo, các hợp chất hữu cơ cao phân tử (cellulose, lignin…) (Fleming,
2001) [24].
Các công trình xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí thường dùng: - Bế phản ứng sinh học hiếu khí Aeroten.
- Cánh đồng sinh học.
- Mương oxy hóa Oxydationditch. - Lọc sinh học Biofilter.
Các kỹ thuật chính trong xử lý theo phương pháp hiếu khí:
* Sinh trưởng lơ lửng - kỹ thuật bùn hoạt tính
Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng, các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ thể hiện bằng BOD.
Bùn hoạt tính là một tập hợp phức tạp các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, virus, các chất rắn lơ lửng… nhưng chủ yếu là vi khuẩn (Lương Đức Phẩm, 2000) [12].
Bùn tốt có bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 – 5 µm, có khả năng hấp thụ lên bề mặt của chúng và oxy hóa các chất bẩn có trong nước thải.
Vi sinh vật trong bùn hoạt tính gồm hai nhóm là nhóm chủ động và nhóm thụ động. Nhóm vi sinh vật thụ động không có khả năng chủ động nuôi cấy được, chúng thường có trong các lớp đất hay nước kênh mương. Nhóm vi sinh vật chủ động là bùn hoạt tính hay quần thể vi sinh vật hình thành từ tự nhiên,
được thay đổi tùy thuộc vào thành phần nước thải của từng ngành sản xuất và chế độ làm sạch nước được lựa chọn (Lê Quốc Tuấn, 2002) [21].
Ta có sơ đồ của biện pháp:
Lắng sơ bộ Máy Lắng bổ sung (lắng 1) sục khí (lắng 2)
Nước thải Nước ra
Song chắn rác Sỏi, cát, bùn thô Bùn hồi lưu Bùn thải Hình 2.1. Sơđồ xử lý nước thải bằng kỹ thuật bùn hoạt tính có sục khí.
Bảng 2.2. Một số loại vi khuẩn có trong bùn hoạt tính và khả năng phân hủy
Tên chi Khả năng phân hủy
Pseudomonas Hydratcacbon, protein, nitrat, chất hữu cơ khác
Arthobacter Hydratcacbon
Bacillus Hydratcacbon, protein
Cytophagas Plysaccharide Nitromonas Nitrit Nitrobacter Nitrat Akcagineses Protein Favobacterium Protein Corynebacterium Protein
Escherichia Protein, một số chất hữu cơ
Sarcina Chất hữu cơ Nguyên sinh động vật Xác vi sinh vật
* Sinh trưởng dính bám - màng sinh học
Trong dòng nước thải có các vật rắn làm giá đỡ (giá mang) để các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật dính bám có những loài có khả năng sinh ra polysacarit có tính chất như các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng – màng sinh học.
Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước. Màng này dày từ 0,1– 0,4 mm và hơn nữa. Màu của màng thay đổi theo theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám sang nâu tối. Trong quá trình xử lý, nước thải chảy qua phin lọc sinh học có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ ra với kích thước 15 – 30 µm có màu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
sáng vàng hay nâu (Trịnh Xuân Lai, 2000) [8].
Màng sinh học gồm các loại vi khuẩn, nấm, động vật bậc thấp được nạp vào cùng hệ thống nước thải. Mặc dù lớp màng này rất mỏng, song chúng được phân chia làm 3 lớp: Ngoài cùng là lớp vi sinh vật hiếu khí, dễ thấy nhất là các loài trực khuẩn Bacillus. Trong cùng sát bề mặt vật liệu lọc là lớp vi sinh vật yếm khí khử lưu huỳnh và nitrat Desunfovibrio. Và tồn tại giữa hai lớp này là một lớp vi sinh vật (vi khuẩn) tùy nghi Pseudomonas, Alcaligenes,
Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus. Phần dưới cùng của màng là lớp quần thể sinh vật với sự có mặt của các động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên các chất mang. Quần thể vi sinh vật trên màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính (Grady, 1980) [25]. Quá trình lọc sinh học là quá trình hiếu khí, tuy nhiên thực chất nó là một hệ thống vi sinh vật từ hiếu khí đến yếm khí (Metcalf, 1991) [26].
* Vật liệu tạo màng
Màng sinh học phát triển ở mọi bề mặt phân cách rắn– lỏng, lỏng– khí, rắn– khí. Trong tự nhiên ta bắt gặp màng sinh học ở nhiều nơi, trên nhiều loại vật liệu nhưng để ứng dụng nó vào trong công nghệ xử lý nước thải thì ta cần xem xét đến rất nhiều yếu tố mà đặc biệt là lựa chọn vật liệu lọc sao cho:
1. Diện tích bề mặt lớn.
2. Có các đặc tính thích hợp cho các vi sinh vật cư trú và phát triển. 3. Có độ bền cơ học và độ ổn định tương đối.
4. Có sẵn trên thị trường, dễ sử dụng, dễ tìm, không quá đắt.