CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ NƯỚC THẢ
2.1.1. Nguyên tắc và cơ chế
Nguyên tắc
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thực chất là lợi dụng sự sống và hoạt động của các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải để thực hiện các dạng phân hủy khác nhau. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo 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 (có thể là gần hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy trong xử lý sinh học người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sunfit, muối amon, nitrat… – các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn. Kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoỏng húa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước.
Cho đến nay người ta đã xác định được rằng, các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hòa tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác[8].
- Chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hòa tan hoàn toàn thành thể khí và thành các tế bào vi sinh.
- Tạo ra cỏc bụng cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải.
- Loại cỏc bụng cặn sinh học ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng trọng lực.
Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh hóa đó là các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật. Tiếp đó trong quá trình trao đổi chất, dưới tác dụng của những men nội bào các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy. Theo quan điểm mới, quá trình xử lý nước thải (quá trình thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp thụ các chất bẩn đó) gồm 3 giai đoạn:
- Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử.
- Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào.
- Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thu năng lượng.
Các giai đoạn này có quan hệ chặt chẽ với nhau, quá trình chuyển hóa các chất đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình xử lý nước thải. Dưới tác dụng của các vi sinh vật, chất ô nhiễm được oxy hóa hoàn toàn. Các quá trình oxy hóa gồm:
- Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào: CxHyOz + (x + - )O2 xCO2 + H2O
CxHyOzN + (x + + + )O2 xCO2 + ( )H2O + NH3 + H - Quá trình oxy hóa luôn kèm theo quá trình tạo sinh khối của vi sinh vật (bùn hoạt
tính):
Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này chính là BOD trong nước thải. Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy sinh húa thỡ không đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hóa chất liệu tế bào (tự oxy hóa):
C5H7NO2 + 5O2 vi sinh vật 5CO2 + NH3 + 2H2O + H Ngoài ra trong hệ thống còn xảy ra các quá trình nitrit và nitrit hóa:
NH3 + O2 vi sinh vật H2O + HNO2 + H HNO2 + 1/2 O2 vi sinh vật HNO3
Quá trình khử nitrat ở vùng thiếu oxy hoặc trong bể lắng thứ cấp : Nitrat có thể được khử theo 2 cơ chế:
+ khử nitrat trực tiếp đồng thời với chuyển hóa chất hữu cơ: C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + E 24H+ + 4 12H2O + 2N2
C6H12O6 + 4 6CO2 + 6H2O + 2N2 + E
+ khử nitrat gián tiếp: chuyển nitơamin , nitrit thành N2 trong điều kiện có HNO2:
R – CH(NH2) – COO O = N – OH R – CHOH – COOH + N2 + H2O R – CO – NH2 O = N – OH R – COOH + N2 + H2O R – CO – NH2 O = N – OH R – COOH + N2 + H2O
Các phản ứng trên đều được thực hiện nhờ xúc tác của các men vi sinh vật. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng của các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý.
Cơ chế
- Hấp phụ và kết tụ cặn lơ lửng và chất keo không lắng thành bông sinh học hay màng sinh học
- Chuyển hóa (oxy hóa) các chất hòa tan và các chất dễ phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng.
- Chuyển hóa / khử chất dinh dưỡng (N, P).
- Khử những hợp chất và thành phần hữu cơ dạng vết.