1. Các quá trình sinh học hiếu khí:
Quá trình phân hủy chất bân hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là quá trình lên men bàng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO2, H20, NO3- và S042-. Trong quá trình xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột, chất béo... sẽ bị phân hủy bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ, các đương đơn... Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyên hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là C02 và H20. Cơ chế quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn :
Giaiđoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào:
CxHyOzN + (x+ y/4 + z/3 + y4) 02 — > xCO2 + [ (y-3)/2] H2O + NH3
Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí sử dụng đổi lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn các loại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothirix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh khác cũng đóng vai trò quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.
Khi các bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi sinh. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như một hình thức cây thêm vi khuân cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển cảu các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
Hình 2.1: Các giai đoạn phát triển của VSV
Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuấn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật đã bị sử dụng hết, số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuấn đã chết đị.
Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuân chết đi nhiều hơn vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh.
Giai đoạn 2:quá trình chuyển hóa cơ chất: + Oxy hóa và tổng hợp tế bào (quá trình đồng hóa):
CxHyOzN + NH3+ 02 men — > xC02 + C5H7N02 + Quá trình hô hấp nội bào (Quá trình dị hóa): C5H7NO2 + 502 men — > xCO2+H2O
NH3+ 02 men — > O2 + HNO2 men — > HNO3
Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyến hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxy hóa chất liệu tế bào.
Giai đoạn 3:Quá trình khử nito
Hình 2.2: Quá trình khử nito
2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý hiếu khí:
- Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hướng nồng độ bùn hoạt tính, tức phụ thuộc vào chỉ số bù. Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại.
- Nồng độ oxy cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này. Khi tiến hành quá trình phải cung cấp đầy đủ lượng oxy vào liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II >= 2 (mg/1).
- Khác với quá trình kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD toàn phần phải =< 1000 (mg/1), còn trong be lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải =<500 (mg/1).
- Ngoài ra trong nước thải cũng cần có các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Fe, Ca, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, s, Cl... thường có đủ tong nước thải. Tùy theo hàm lượng cơ chất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết khác nhau. Thông thuờng cần duy trì các nguên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp:
BODtoànphần: N:P=100:5:l
- Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối các kim loại nặng. Khi đó hoạt tính sinh học của bùn giảm, bùn sẽ bị trương phồng khó lắng do sự phát triến mãnh liệt của vi
khuẩn dạng sợi. Vì vậy nồng độ các chất độc và kim loại nặng trong nước thải phải nằm trong giới hạn cho phép.
Yếu tố môi trường:
- pH : là một yếu tố chính trong sự phát triển của những vi sinh vật. Phần lớn vi sinh vật không thể chịu được pH > 9 vì lúc này sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào làm cho vi sinh vật chết và pH < 4 sẽ thúc đẩy nấm phát triển. Thông thường pH tối ưu cho vi sinh vật phát triển tốt nhất trong khoảng 6,5 - 7,5.
- Nhiệt độ: cũng là yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật. Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa sổ vi sinh vật tối ưu từ 25°C - 37°C hoặc từ 20 - 80°C.
- Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng
chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loài vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ.
3. Cơ chế hoạt động của bùn hoạt tính.
– Giai đoạn thứ nhất: Tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxi cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất nhanh. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy, lượng tiêu thụ oxi tăng cao dần.
– Giai đoạn thu hai: Vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất.
– Giai đoạn thứ ba: Sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên.
Ở đây cần lưu ý rằng, sau khi oxi hóa được 80-95% BOD trong nước thải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần phải lấy bùn cặn ra khỏi nước. Nếu không kịp thời tách bùn, nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp, nghĩa là sinh khối vi sinh vật trong bùn (chiếm tới 70% khối lượng cặn bùn) sẽ bị tự phân. Tế bào vi khuẩn có hàm lượng protein rất cao (60-80% so với chất khô), ngoài ra còn có các hợp chất chứa chất béo, hidratcacbon, các
Bể lắng II Hình 3.1: Cấu tạo bể aerotank
chấtkhoáng…khi bị tự phân sẽ làm ô nhiễm nguồn nước.(Nguồn:http://giaiphapmoitruong.net/ky- thuat-moi-truong/be-phan-ung-sinh-hoc-hieu-khi-aerotank.html).
PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ