CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
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
mát bùn hoạt tính ở giai đoạn phản ứng và không phải tuần hoàn bùn hoạt tính từ
bể lắng để giữ nồng độ. Ưu điểm là khử được các hợp chất chứa nitơ, phosphor khi
vận hành đúng các quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí.
2.8 Chất kết tụ sinh học và vi khuẩn kết tụ sinh học trong các hệ thống sinh học xử lý nước thải
Theo Salehizadeh et al. (2000) kết tụ sinh học là một quá trình động lực học có
kết quả từ quá trình tổng hợp đa phân tử ngoại bào của các tế bào vi khuẩn sống. Theo Zhi-qiang et al. (2007) chất kết tụ là chất hóa học thúc đẩy quá trình kết
tụ, làm cho các chất keo và các hạt rắn lơ lửng khác trong dung dịch gom tụ lại, tạo
thành một khối lớn dần. Các chất kết tụ được sử dụng trong quá trình xử lý nước, nhằm gia tăng quá trình lắng cặn hay khả năng lọc các phần tử nhỏ. Chất kết tụ được phân loại thành ba nhóm chính như chất kết tụ vô cơ (aluminum sulfate, polyaluminum chlorid); chất kết tụ tổng hợp hữu cơ (dẫn xuất của polyacrylamid và polyethylen imin); chất kết tụ xảy ra trong tự nhiên [chitosan, sodium alginat, các chất kết tụ của vi khuẩn (chất kết tụ sinh học)].
Theo Gong et al. (2008) chất kết tụ sinh học là một loại chất kết tụ có phân tử
lớn được tiết ra từ các vi sinh vật trong suốt quá trình tăng trưởng của chúng, chất
glycoprotein, khả năng tạo kết tụ phụ thuộc vào đặc tính của chất kết tụ sinh học
(Jie et al., 2006). Tính chất hóa lý của chất kết tụ sinh học được phụ thuộc vào bản
chất di truyền của vi sinh vật (Salehizadeh et al. 2000). Lian et al., (2008) đã tìm thấy nhiều vi sinh vật sản xuất các chất kết tụ sinh học như Rhodococcus erythropolis, Paecilomyces sp., Klebsiella pneumoniae, Citrobacter sp.
Bản chất của chất kết tụ sinh học được sinh ra từ các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Chẳng hạn, chất kết tụ sinh học ZS-7 sản xuất ra bởi chủng vi
khuẩn Bacillus licheniformis X14 là một glycoprotein (Li et al., 2009); chất kết tụ
sinh học MBFA9 được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus mucilaginousus, thành phần
chính là polysaccharid (Deng et al., 2003); chất kết tụ sinh học được sinh ra từ vi
khuẩn Enterobacter cloacae WD7 có thành phần chính là một heteropolysaccharid
(Prasertsan et al., 2006),…
Một số chủng vi khuẩn có khả năng tổng hợp chất kết tụ sinh học như các
chủng thuộc giống Bacillus, tạo ra chất kết tụ sinh học từ hợp chất protein, (Abd- El-Haleem et al., 2008); chủng vi khuẩn Paecilomyces sp. I- 1 tổng hợp chất kết tụ
PF-101, chủng vi khuẩn Bacillus As-101 tổng hợp từ hợp chất polysaccharide (Takagi và Kadowaki, 1985; Salehizadeh et al., 2000); Vi khuẩn Bacillus fusiformis, Bacillus subtilis, Bacillus flexus tổng hợp chất kết tụ sinh học với thành phần chính là carbohydrate (You et al., 2008); Vi khuẩn tổng hợp chất kết tụ sinh
học T2a (Cronobacter sakazakii chủng E292 16S rDNA) được phân lập từ tỉnh
Tiền Giang cho tỷ lệ kết tụ cao (97,2%) với dung dịch kaolin, sau 5 phút để chủng T2a tạo chất kết tụ là pH = 6,0 và bổ sung Ca2+. Vi khuẩn T2a xử lý nước thải tinh
bột (nước thải cơ sở sản xuất bún) làm giảm lượng TSS và COD lần lượt là
95,85% và 66,5% sau 30 phút để lắng (Cao NgọcĐiệp và ctv., 2010).
Theo Li et al. (2009) đề xuất cơ chế kết tụ của chất kết tụ sinh học ZS-7 được
sinh ra từ chủng vi khuẩn Bacillus licheniformis X14 như sau: khi chất kết tụ sinh
học ZS-7 tiếp cận với các hạt rắn trong dung dịch, lực hút giữa nó với các hạt rắn
phải lớn hơn lực đẩy tĩnh điện. Lực hấp phụ có lẽ được phát ra từ các liên kết
hydro giữa các nhóm OH, NH2 và NH2CO của chất kết tụ sinh học và các nhóm H+, OH- của các hạt rắn, cũng như các liên kết hóa học giữa các nhóm COO- và các hạt huyền phù. Quá trình kết tụ là do sự giảm điện tích âm trên bề mặt các hạt rắn
khi có mặt Ca2+, cuối cùng điện tích có lẽ bị chuyển ngược từ âm sang dương. Như
vậy, các nhóm cacboxyl của acid uronic, acid pyruvic và acid acetic trong chất kết
tụ sinh học ZS-7 phản ứng với các vị trí tích điện dương của các hạt rắn trong
huyền phù kaolin. Sau khi các hạt rắn đã hấp thụ vào các mạch của chất kết tụ sinh
học. Nhiều hạt rắn hấp thụ vào một mạch phân tử dài, đồng thời được hấp thụ bởi
các mạch chất kết tụ khác, dẫn đến sự hình thành khối không gian ba chiều có khả năng lắng nhanh.
Theo Wu và Ye (2007) nhận định cơ chế kết tụ của vi khuẩn Bacillus subtilis
DYU1 tổng hợp chất kết tụ sinh học DYU500 với khả năng kết tụ cao, tùy thuộc
vào pH, cation hóa trị 2, nhiệt độ. Ảnh hưởng của các cation đến chất kết tụ sinh
học này mạnh nhất ở pH acid yếu hoặc pH trung hòa. Hoạt tính kết tụ của nó giảm
cùng với việc tăng nhiệt độ ủ và bị vô hoạt hoàn toàn ở nhiệt độ 120oC (do phá hủy