L ời cam đoan
2.6. Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải
Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật, để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải, thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Vi sinh vật có trong nước thải
hữu cơ tổng hợp nhân tạo, một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sinh sản, phát triển, tăng số lượng tế bào (tăng sinh khối), đồng thời làm sạch (gần như hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan. Quá trình sinh học xử lý nước thải vừa phân hủy, vừa oxy hóa các cơ
chất, đồng thời đồng hóa các chất hữu cơ và NH4 +
, PO4 3-
để sinh trưởng. Sinh khối
của các vi sinh vật tăng, sản sinh ra các enzym thủy phân và oxy hóa khử làm tăng
hoạt tính của cộng đồng vi sinh vật, nhằm khử các chất bẩn hữu cơ (BOD hoặc
COD), nitrate hóa, khử nitrate, khử phosphor và ổn định chất thải nhờ quá trình chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành pha khí, vỏ của tế bào vi sinh vật tạo ra các
bông bùn cặn sinh học rồi loại các bông bùn này ra khỏi nước thải. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học xuất phát từ các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường gặp hai kiểu sinh trưởng: Sinh trưởng lơ lửng đồng nghĩa với bùn hoạt tính; Sinh trưởng dính bám đồng nghĩa với màng sinh học. Nhờ các biện pháp
nhân tạo hoạt tính của vi sinh vật được tăng cường thì hiệu quả làm sạch chất bẩn
không ngừng được tăng lên (Nguyễn Đức Lượng, 2002).
2.6.1 Sinh trưởng dính bám - màng sinh học (biofilms) trong xử lý nước thải
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 khi tiếp xúc với màng, hệ vi sinh vật bao phủ bề mặt
vật liệu tạo ra lớp màng dày từ 1 – 3 mm, màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ
thấy là trực khuẩn Bacillus, ở giữa là các vi khuẩn kỵ khí tùy nghi như Alcaligenes,
Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử sunfate và nitrate như Desulfovibrio (Hình 2.1).
Hình 2.1: Mô phỏng cấu tạo màng sinh học (Nguyễn Văn Phước, 2007)
O2 NH4 BOD Nước thải Màng VSV kỵ khí Lớp màng hiệu quả H2S acid hữu cơ Môi trường NO3 NO2 Màng VSV hiếu khí
Vi sinh vật trong màng sinh học sẽ oxy hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng
làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên (Nguyễn Văn Phước, 2007).
Màng sinh học được ứng dụng trong các hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải như: đĩa quay sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt, lọc sinh học ngập nước.
Cơ sởđể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hoá vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tựdưỡng có trong tự nhiên, nhờ khảnăng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amôn hoá chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi khuẩn amôn hóa. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối thuộc các bộPseudomonadales, Eubateriales…
mà protein bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptid, oligopeptid. Các chất này tiếp tục được phân hủy thành các acid amin nhờ men peptidase ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đó sẽ được phân hủy tiếp trong tế
bào thành các acid amin. Các acid amin, một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp protein, xây dựng tế bào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con
đường khác nhau để tạo NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác (Bảng 2.2).
Bảng 2.2: Một số chủng vi khuẩn tham gia xử lý nước thải
Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitrobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus denitrificans Thiobacillus denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio
Phân hủy carbohydrate, protein, các hợp chất hữu cơ
khác và phản nitrate hóa Phân hủy carbohydrate
Phân hủy carbohydrate, protein… Phân hủy các polymer
Tạo thành chất nhầy (polysaccharide), tạo chất keo tụ
Tích lũy polyphosphate, phản nitrate Nitrate hóa
Nitrate hóa
Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ
Phân hủy protein, phản nitrate hóa Phân hủy protein
Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Khử sunfate, khử nitrate
Nhờ hoạt động của một số vi khuẩn Thiobacillus denitrificans, vi khuẩn lưu
huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình sunfate hóa được thực hiện. Ngược lại, quá trình khử
sunfate cũng xảy ra bởi các vi khuẩn kỵ khí có trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desulfovibrio desunfuricans). Ngoài ra còn thấy loài Clostridium nigrificans và loài Pseudomonas Zelinskii cũng có khả năng khử sunfate. Trong
điều kiện tự nhiên nhiều loài vi khuẩn như Acinetobacter và nấm có khảnăng phân
giải và giải phóng phosphor trong xương động vật ở dạng rắn Ca3(PO4)2 sang dạng
hoà tan. Theo con đường thủy phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn
Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces và các loài nấm bậc cao chuyển hoá nhanh tinh bột thành đường và các loại đường này một phần bị phân hủy thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, một phần được chuyển hoá trong quá trình trao đổi chất. Trong điều kiện kỵ khí, tinh bột bị phân hủy bởi Clostridium. Trong điều kiện hiếu khí Sporocytophaga là loài có khả năng phân hủy xenlulose mạnh nhất. Xenlulose bị phân hủy bởi các men ngoại bào thành các sản phẩm trung gian và
đường. Trong bùn lắng quá trình lên men kỵ khí chủ yếu bởi Clostridium phân hủy xenlulose thành etanol, acid focmic, acid axetic, acid lactic, H2 và CO2. Trong tự
nhiên, còn xảy ra quá trình tự làm sạch nước nhờ các sinh vật sử dụng các chất bẩn
trong nước làm nguồn thức ăn. Về mặt sinh học tham gia vào quá trình tự làm sạch
môi trường có rất nhiều loài sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật, nhuyễn thể …và vi sinh vật với mức độ khác nhau, nhưng đóng vai trò quyết định là các vi sinh vật. Quan hệ cạnh tranh đã có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Quan hệ “mồi thú” đã làm cho sốlượng vi sinh vật trong nước thải thay đổi. Ngoài hai mối quan hệtrên trong nước thải, có nhiều loài vi sinh vật đã sống cộng sinh với nhau có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Kết quả của các quan hệnày đã làm
ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân hủy chất bẩn của các vi sinh vật (Lê Xuân Phương, 2001).
2.6.2 Sinh trưởng lơ lửng - Bùn hoạt tính trong xử lý nước thải
Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, đã được duy trì và phát triển đến ngày nay, với phạm vi ứng dụng rộng
rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Công nghệ bùn hoạt tính
hay bể hiếu khí (Aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí. Vi sinh vật trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh
sản, phát triển, mật độ tế bào tăng lên trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí. Nước
thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng. Các tế bào vi khuẩn sẽ dính
vào nhau và dính vào các hạt lơ lửng trong nước thải, phát triển thành các hạt bông
cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng chỉ số
BOD5. Các hạt bông cặn khi được khuấy đảo, thổi khí sẽ dần dần lớn lên do kết dính
Những hoạt động này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt, bông cặn sẽ lắng xuống đáy hồ tạo thành bùn hoạt tính (Nguyễn Văn Phước, 2007).
2.7 Phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi heo
Xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp sinh học, dựa trên hoạt
động sống của vi sinh vật có trong nước thải chăn nuôi heo, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh. Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ
bé, có thể tập hợp lại thành một nhóm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn phân tử, đa
phân tử hoặc một nhóm phân tử. Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hoá sinh hoá, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi heo, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong nước thải. Chúng vừa phân hủy vừa oxy hóa cơ chất tới sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O cùng một số khí khác hoặc khoáng hóa hợp chất niơ và phosphor, đồng thời đồng hóa các chất hữu cơ và NH4, PO4
3-
để sinh trưởng. Sinh khối của các vi sinh vật tăng, sản sinh ra các enzym thủy phân oxy hóa – khử làm
tăng hoạt tính quả quẩn thể vi sinh vật (Lương Đức Phẩm, 2009).
Nước thải chăn nuôi heo sau biogas rất giàu chất dinh dưỡng, chủ yếu là đạm và lân. Trong nước thải, đạm nitơ tồn tại dưới 3 dạng chính: NH4
+
, NO2-, NO3- và các dạng hữu cơ. Nước thải sau biogas chứa hàm lượng ammonium khá cao
(khoảng >200 mg/L), rất nguy hại cho cá và các động vật thủy sinh (Nguyễn Thị
Thu Hà, 2008). Theo Lê Tuyết Minh (2003), hàm lượng ammonium trong nước
thải từ túi ủ biogas thải trực tiếp ra ngoài môi trường khá cao, dao động từ 57,6 – 175 mg/L, trung bình là khoảng 124 mg/L.
Quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ vi sinh vật hiếu khí hoạt động cần có oxy của không khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào nước. Quá trình này gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng:
(i) Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 Enzyme CO2 + H2O + H
(ii) Tổng hợp xây dựng tế bào:
CxHyOz+ O2 + NH3 Enzyme CO2 + H2O – H + C5H7O2N (Tế bào vi khuẩn)
(iii) Tự oxy hóa (phân hủy nội bào)
C5H7O2N + O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 + H
Trong 3 giai đoạn loại phản ứng H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu
vào. Các chỉ số x, y, z, tùy thuộc dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy hóa. Đối
trên. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí,
kỵ khí hoặc kỵ khí tùy nghi thường thấy các giống Pseudomonas, Bacillus,
Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococus, Lactobacillus,
Achromobacter, Spirochaeta, Clostridium. Trong số này giống Pseudomonas
thường gặp ở hầu hết các nước thải sau đó là Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và sống khá lâu trong môi trường nước (Nguyễn Hữu Hiệp và Cao Ngọc Điệp, 2012).
Quá trình chuyển hóa các hợp chất nitơ hữu cơ trong xử lý nước thải do vi sinh vậtđược trình bày (Hình 2.2). NH4+ được tạo thành trong quá trình amon hóa nhờ rất nhiều loài vi sinh vật, được các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn N dinh dưỡng, đồng hóa để xây dựng tế bào mới. Ngoài ra NH4+ còn nhờ vi khuẩn nitrate
hóa chuyển thành NO2, NO3 hoặc bị vi khuẩn phản nitrate hóa chuyển thành nitơ
phân tử bay vào không khí (Lương Đức Phẩm, 2009).
Hình 2.2: Chuyển hóa hợp chất nitơ hữu cơ trong xử lý nước thải bằng vi sinh vật
Ứng dụng bể phản ứng theo mẻ (SBR): bể phản ứng theo mẻ là dạng công trình xử lý nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính, nhưng hai giai đoạn sục
khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một kết cấu. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Hệ thống hoạt động
Phản nitrate hóa Đồng hóa N-NH4 Nitơ trong thành phần tế bào vi khuẩn Tế bào vi khuẩn chết Nitơ hữu cơ
(protein, acid amin…) ,urê Thủy phân và oxy
hóa do vi khuẩn Nitrite (NO2) Nitrate (NO3) Nitrosomonas O2 Nitrobacter O2
Oxy hóa nội sinh
Cacbon hữu cơ
Nitơ phân tử (N2) (NO2 NO N2O ) Khử nitrate Anoxic (thiếu khí) Nitrate hóa
liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải - phản ứng - lắng - hút nước thải ra; trong đó quá trình phản ứng hay còn gọi là quá trình tạo hạt (bùn hạt hiếu khí), quá
trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm chất nền trong nước thải đầu
vào.
Nói chung, công nghệ SBR đã chứng tỏ là một hệ thống xử lý nước thải có hiệu quả, do trong quá trình sử dụng ít tốn năng lượng, dễ dàng kiểm soát các sự
cố xảy ra, xử lý với lưu lượng thấp, ít tốn diện tích, rất phù hợp với những trạm có
công suất nhỏ, ngoài ra công nghệ SBR có thể xử lý với hàm lượng chất ô nhiễm
có nồng độ thấp hơn. Quy trình hoạt động SBR: gồm 5 giai đoạn cơ bản (Hình 2.3)
(i). Đưa nước vào bể (Filling): đưa nước vào bể có thể vận hành ở ba chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí.
(ii). Giai đoạn phản ứng (reaction): sục khí để tiến hành quá trình nitrate hóa và phân hủy chất hữu cơ. Trong giai đoạn này cần tiến hành thí nghiệm để kiểm
soát các thông số đầu vào như: TSS, BOD, COD, N, P, cường độ sục khí, nhiệt độ, pH… để có thể tạo bông bùn hoạt tính hiệu quả cho quá trình lắng sau này.
(iii). Giai đoạn lắng (Settling): các thiết bị sục khí ngừng họat động, quá trình lắng diễn ra trong môi trường tĩnh hoàn toàn, thời gian lắng thường nhỏ hơn 2 giờ.
(iv). Giai đoạn xả nước ra (Discharge): nước đã lắng sẽ được hệ thống thu nước tháo ra đến giai đoạn tiếp theo; đồng thời trong quá trình này, bùn lắng cũng được tháo ra.
(v). Pha xả bùn và chờ thời gian nạp mẻ tiếp theo.
Thời gian hoạt động của chu kỳ như sau: nước chảy vào bể (25%); sục khí
(35%); lắng (20%); tháo nước (15%); tháo bùn (5%).
Hình 2.3:Chu kỳ bể phản ứng theo mẻ - SBR (EPA, 1999)
Bể hiếu khí Tháo nước và bùn Bể lắng Tháo nước Tháo bùn Nước vào bể
Các chi của vi khuẩn anammox được phát hiện gồm Brocadia, Kuenenia và
Scalindua tham gia vào quá trình xử lý nước thải của các công nghệ sinh học. Về
mặt phân loại các vi khuẩn anammox là những thành viên mới tạo thành phân nhánh sâu của ngành Planctomycetes, bộ Planctoycetales. Mặc dù vi khuẩn
anammox tồn tại trong tự nhiên và trong môi trường hệ thống xử lý nước thải giàu
ammonium, nhưng việc nuôi cấy, phân lập và làm giàu rất khó khăn do chúng sinh trưởng chậm (thời gian nhân đôi >10 ngày) làm hạn chế trong ứng dụng quy trình xử lý nước thải (Nguyễn Đức Lượng, 2002). Ngoài ra áp dụng công nghệ vi sinh
trong xử lý nước thải còn có khả năng loại bỏ được các hợp chất phosphor trong nước thải. Bởi vì, hợp chất phosphor trong nước thải chăn nuôi tồn tại ở các dạng:
phosphor hữu cơ, phosphate đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước,
polyphosphate và phosphor trong tế bào. Trong đó hợp chất polyphosphate, hợp
chất hữu cơ chứa phosphate chiếm tỷ lệ lớn. Xử lý phosphor bằng phương pháp
sinh học thường được kết hợp với oxy hóa BOD và khử hợp chất nitơ, nhóm vi
khuẩn hiếu khí tùy nghi Acinetobacter có khả năng tích lũy trong sinh khối cao (2- 5%). Trong các công trình trên, vi khuẩn Acinetobacter được luân chuyển giữa các điều kiện nên khả năng lấy phosphor trong nước thải tăng lên rất nhiều và được
loại bỏ trong bùn lắng.
Đặc điểm duy nhất là ở bể SBR không cần tuần hoàn bùn hoạt hoá. Hai quá
trình làm thoáng và lắng đều diễn ra ở ngay trong một bể, cho nên không có sự mất