31 Khử carbon dioxit(CO 2 ):
2.1.5. Quá trình xử lý nƣớc thải bằng công nghệ sinh trƣởng dính bám (cố định hay gắn kết) – Màng sinh học
hay gắn kết) – Màng sinh học
2.1.5.1. Cơ chế xử lý nước thải theo nguyên lý lọc – dính bám [7, 9]
Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ (giá mang), các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng (màng sinh học). Màng này cứ dầy dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang. Màng này có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán v.v...
Hình 2.3. Sơ đồ cơ chế hoạt động của màng sinh vật [7]
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 khi tiếp xúc với màng. Màng này dầy từ 1 - 3mm và hơn nữa. Mầu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến mầu nâu tối.
38
Trên bề mặt giá mang (hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ, nhựa ... ) hình thành một màng nhầy như giêlatin và lớn dần lên được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính, thành phần loài và số lượng các loài ở màng lọc tương đối đồng nhất. Mỗi màng lọc có một quần thể cho riêng mình. Sự khác nhau không chỉ là số lượng mà cả chất lượng. Khi nước thải chảy qua lọc màng sinh học, do hoạt động sống của quần thể vi sinh vật, sẽ thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước. Các chất hữu cơ dễ phân giải được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, đồng thời số lượng của quần thể tương ứng này phát triển nhanh. Các chất hữu cơ khó phân giải sẽ được sử dụng sau với vận tốc cũng chậm hơn và quần thể vi sinh vật đồng hóa chúng phát triển muộn màng hơn.
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là hệ tùy tiện. Ngoài các vi khuẩn hiếu khí, màng còn có các vi khuẩn tùy tiện và kị khí. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus.
Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio. Như vậy, hệ vi sinh vật trong màng sinh học của phin lọc là các thể tùy tiện.
Màng vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dầy thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxy phải chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của biến đổi kị khí là các axit hữu cơ, các alcol ... Các chất này tạo ra chưa kịp khuếch tán ra ngoài đã bị các vi sinh vật khác sử dụng. Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxy hóa được tất cả các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải.
2.1.5.2. Động học trong bể lọc sinh học đệm chuyển động[1]
Một hệ lọc sinh học bao gồm nhiều pha và bề mặt phân cách pha: giữa các khối chất mang (hạt) là pha khí (lọc khô) hoặc nước (lọc ngập nước). Trên bề mặt
39
chất mang là màng vi sinh có độ dày nhất định (0,5-1,0 mm) và khá đặc. Phía ngoài lớp màng vi sinh là một lớp nước mỏng gọi là màng thủy lực, màng thủy lực có tính năng về phương diện chuyển khối khác với nước, không khí hay màng vi sinh. Các quá trình chuyển khối xảy ra trong nước (khí), qua màng thủy lực, màng vi sinh. Phản ứng hóa học (sinh hóa) xảy ra trong lớp màng sinh học. Các quá trình chuyển khối sẽ làm chậm tốc độ phản ứng: tốc độ chuyển khối nhanh thì kìm hãm ít, tốc độ chuyển khối chậm thì kìm hãm nhiều.
Trong một bể lọc sinh học tồn tại đồng thời nhiều quá trình động học và động lực: cơ chất được đưa từ ngoài vào do đối lưu, khuyếch tán của cơ chất qua màng thủy lực, khuyếch tán và phản ứng hóa học trong màng vi sinh vật. Tất cả các quá trình trên xảy ra nối tiếp nhau và đều có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý, tuy nhiên giai đoạn có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế toàn bộ quá trình lọc sinh học: quá trình chậm nhất thường được cho là quá trình khuyếch tán và hóa học xảy ra ở trong màng vi sinh và về mặt hình thức được đặc trưng bởi hằng số tốc độ có chứa cả quá trình khuyếch tán.
- Phản ứng khi không bị khống chế bởi khuyếch tán thì phản ứng xảy ra theo bậc không, không phụ thuộc vào nồng độ.
- Phản ứng bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán thì bậc của phản ứng là 0,5. Trong bể lọc sinh học có đặc trưng khuấy trộn lý tưởng (phản ứng dạng lưu thể, chất mang được đảo trộn đều trong nước), phản ứng dị thể trong bể lọc (sơ đồ hình 2.4) xảy ra như sau:
Hình 2.4. Bể lọc sinh học dạng khuấy trộn đều
Lưu lượng nước thải vào và ra khỏi bể lọc là Q, nồng độ cơ chất tại đầu vào và ra là S1, S2. V là thể tích của bể lọc, A* là diện tích tổng của màng vi sinh (diện tích tổng của chất mang). Nếu bỏ qua quá trình chuyển khối trong màng thủy lực
V, A*
40
(nhanh) và sử dụng quan hệ cân bằng chất thì có thể tính nồng độ đầu ra (S2) tương ứng cho các phản ứng bậc 0, 0,5 và 1. - Phản ứng bậc không: (2.5) (2.6) - Phản ứng bậc 0,5: (2.7) √( ) (2.8) - Phản ứng bậc 1: (2.9) (2.10)
Tốc độ và hằng số động học phản ứng tính theo tổng diện tích của màng vi sinh tương ứng với bậc của phản ứng, ví dụ vs(0,5) và k0,5,s là tốc độ và hằng số tốc độ của phản ứng bậc 0,5.
Các phương trình (2.5) đến (2.10) có thể sử dụng để mô phỏng quá trình xảy ra trong bể lọc sinh học đệm chuyển động (MBBR).
Quá trình xử lý tạp chất trong màng vi sinh vật có diễn biến giống như trong kỹ thuật phản ứng dạng huyền phù[1].