CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
b. Váng
2.4. LỊCH SỬ VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT
2.4.1. Bùn tạo khối
Bùn hoạt tính lắng kém luôn là mối quan tâm hàng đầu đối với những nhà thiết kế và vận hành hệ thống xử lý. Tuy nhiên vấn đề này trước đây chưa được quan tâm đúng mức. Tomlinson đã nghiên cứu và rút ra kết luận rằng hiện tượng bùn tạo khối có liên quan đến điều kiện vận hành của các bể xử lý gián đoạn và liên tục. Thậm chí nguyên nhân do sự phát triển quá mức của các vi khuẩn dạng sợi cũng đã được phát hiện từ lâu. Vào lúc đó vi khuẩn dạng sợi lại được gọi là nấm của bùn hoạt tính (activated sludge fungi). Nhờ các thành tựu của ngành vi trùng học mà từ những năm 1950 đến những năm 1980, các kỹ sư hoá và môi trường đã khám phá ra khoảng 30 loại vi khuẩn dạng sợi có thể gây ra những trở ngại trong quá trình vận hành bùn hoạt tính. Cùng trong khoảng thời gian này, hiện tượng bùn tạo khối không phải do vi khuẩn dạng sợi (non-filamentous bulking) cũng được biết đến nhưng nguyên nhân gây ra thì vẫn còn là ẩn số.
a. Kiểm soát hiện tượng bùn tạo khối và hình dạng các bể phản ứng
Mối quan hệ giữa hình dạng các bể phản ứng và đặc tính lắng của bùn được thiết lập từ khá sớm. Dựa vào các nghiên cứu của Albertson và Tomlinson, vào những năm 1930, Donaldson đã chứng minh được rằng việc chia bể phản ứng thành các ngăn có tác dụng ngăn chặn hiện tượng bùn tạo khối nhưng các nghiên cứu này của ông lại không được công nhận. Vào thập kỷ 60, phát minh này được đưa ra nghiên cứu lại.
Vào giữa thập kỷ 60, các nghiên cứu về gradient nồng độ chất nền để ngăn chặn sự phát triển của các vi khuẩn dạng sợi trong bể bùn hoạt tính được tiến hành ỏ Hà Lan, Anh và Cộng Hoà Séc. Năm 1965, Rensink, người Hà Lan đã chứng minh được rằng nếu các mương oxy hoá thay đổi chế độ nạp nước từ liên tục sang gián đoạn thì có thể giảm đáng kể chỉ số lắng bùn SVI do các vi khuẩn Sphaerotilus sp
không sinh sản và phát triển được. Với cùng mục đích trên, Trung Tâm Nghiên Cứu Nước Anh Quốc cũng làm hàng loạt nghiên cứu trong những năm 1960. Các kết quả đều nhất trí rằng gradient nồng độ chất nền càng cao, chỉ số SVI càng nhỏ.
Tương tự như thế, Koller thuộc Viện Kỹ Thuật Hoá Học Prague ở Séc đã nhận thấy rằng ở cùng điều kiện tải trọng như nhau, SVI ở các hệ thống hoạt động gián đoạn thường dưới 70 ml/g trong khi ở các hệ thống hoạt động liên tục lại trên 280 ml/g. Nguyên nhân do sự phát triển quá mức của các vi khuẩn dạng sợi trong các bể khuấy trộn liên tục. Tuy nhiên vi khuẩn dạng sợi quan sát thấy lại không đặc trưng.
Tất cả các thí nghiệm đã chứng minh cho kết luận đúng đắn của Donaldson về việc phân hệ thống bùn hoạt tính thành ngăn. Vào năm 1972, Chudoba, Grau, và Dohanyos thuộc Viện Kỹ Thuật Hoá Học Prague đã được cấp bằng sáng chế cho hệ thống xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính với bể bùn hoạt tính chia thành nhiều ngăn. Bùn tuần hoàn được đưa vào ngăn đầu tiên để trộn chung với nước thải vào rồi đi lần lượt qua các ngăn. Ngăn đầu tiên này được gọi là selector. Tuy nhiên cách gọi này không chính xác mà nên gọi là vùng tiền khuấy trộn (premixing zone) hay vùng tiếp xúc trước tiên (initial contact zone).
b. Kiểm soát quá trình bùn tạo khối dưới những điều kiện vận hành khác nhau
Bùn hoạt tính có thể vận hành ở điều kiện hiếu khí, kị khí hay thiếu khí. Tuy nhiên cho mãi đến thập kỷ 70 hầu hết các hệ thống đều được vận hành ở chế độ hiếu khí bởi vì các nhà thiết kế và các kỹ sư vận hành đều e ngại rằng vận hành ở chế độ kị khí sẽ làm giảm hiệu quả xử lý nước thải.
Mặc cho nỗi e ngại đó, Albertson, một kỹ sư người Mỹ đã đạt được bằng sáng chế vào đầu thập kỷ 50 khi ông kết hợp cả chế độ kị khí và hiếu khí trong quá trình vận hành bùn hoạt tính. Sự kết hợp táo bạo trên đã cho kết quả hơn cả mong đợi: bùn hoạt tính lắng tốt hơn. Các vi sinh vật kị khí không hề làm giảm mà ngược lại còn tăng cường đặc tính lắng của bùn. Một số thí nghiệm khác cũng cho thấy rằng điều kiện kị khí kiềm hãm sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi.
Vào đầu thập kỷ 70 ở Hà Lan, nghiên cứu trên điều kiện thiếu khí ở các mương oxy hoá cũng cho kết quả tương tự. Trong điều kiện thiếu khí, quá trình khử nitrat (denitrification) sẽ xảy ra thay vì quá trình hô hấp khi có oxy. Bùn tuần hoàn với hàm lượng nitrat cao được trộn với nước thải đã được xử lý ở vùng tiền khuấy trộn. Kết quả của quá trình này là hàm lượng P tăng. Tomlinson và Chambers cùng đề nghị thêm vào vùng thiếu khí trước quá trình khử nitrat (anoxic predenitrification zone) trong các bể phản ứng hiếu khí chính để kiểm soát quá trình bùn tạo khối do dạng sợi. Vi khuẩn dạng sợi bị kiềm hãm phát triển là do cường độ khuấy trộn theo chiều dọc giảm trong hệ thống sau khi nước vào vùng khuấy trộn thiếu khí. Ở Đức, Hoffman qua nghiên cứu cũng nhất trí với việc phân chia các vùng thiếu khí để kiểm soát quá trình bùn tạo khối.
c. Các phương pháp chung cho quá trình kiểm soát hiện tượng bùn tạo khối
Các phương pháp này thường không dùng để trị căn nguyên của hiện tượng này (tức là tìm cách ngăn chặn sự phát triển rồi dần dần tiêu diệt các vi khuẩn dạng sợi) mà chỉ làm giảm số lượng vi khuẩn dạng sợi hiện có trong bùn hoạt tính. Một số phương pháp là tự nhiên và tự phát trong khi một số khác lại là những can thiệp tương đối thô bạo vào quá trình bùn hoạt tính.
Phương pháp cổ điển nhất là là tăng khối lượng riêng của bùn hoạt tính và như vậy sẽ tăng tốc độ lắng. Phương pháp này thường dùng trong bể bùn khi không có giai
đoạn tiền xử lý. Matsche đưa ra một ví dụ từ bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý nước thải ở Vienna-Blumental có hàm lượng các vi khuẩn dạng sợi (Microthrix parvicella,
Nostocoida Limicola và loại 021N) cao nhưng SVI < 100ml/g. Hay nhờ các phân tử rắn từ cây củ cải đường trong các nhà máy sản xuất đường ở Úc mà chỉ số SVI thấp (30 – 40 ml/g) mặc dù có khá nhiều vi khuẩn Sphaerotilus natans trong bùn. Ở Châu Âu lại thịnh hành cách tăng tốc độ lắng bằng phương pháp bổ sung các chất keo tụ đặc biệt là ở Áo và Đức.
Các hệ thống xử lý nước thải ở Vienna-Simmering thường cho sulphat sắt (với hàm lượng sắt là 7g/m3) để giữ chỉ số lắng của bùn dưới 150ml/g trong môi trường nhiều vi khuẩn dạng sợi. Ở Đức, hàm lượng Fe đề nghị dùng là khoảng 35g/m3 trong vòng ít nhất là10 ngày.
Có thể tiêu diệt vi khuẩn dạng sợi bằng cách dùng clor. Clor được dùng rộng rãi ở nhiều nước đặc biệt là Mỹ. Các nhà ủng hộ việc dùng clor cho rằng nếu dùng hoá chất này đúng chỗ và đúng liều lượng, thì không việc gì phải lo lắng đến tình trạng quá nhiều hợp chất hữu cơ bị clor hoá. Tuy nhiên ở Châu Âu, clor chỉ được sử dụng trong tình huống khẩn cấp. Để tránh tình trạng các hydrocacbon bị clo hoá, người ta sử dụng H2O2 hay ozone. Theo các tại liệu cho thấy ozone đã được sử dụng thành công ở Nam Phi. Ozone có thể dùng để khống chế cả hiện tượng bùn tạo khối do và không do vi khuẩn dạng sợi.
d. Lý thuyết về hiện tượng bùn tạo khối
Vào năm 1985, vấn đề bùn khối là cuộc cạnh tranh giữa vi sinh vật tạo bông và vi sinh vật dạng sợi, trong đó vi sinh vật tạo bông đóng vai trò tiêu thụ các chất nền tan trong nước. Vào thời điểm đó, kết luận này có vẻ hợp lý vì các mô hình thí nghiệm đều chỉ ra rằng Sphaerotilus natans và loại 021N là 2 loại vi khuẩn dạng sợi chiếm ưu thế nhất (2 loại này có năng lực tiêu thụ chất nền tan thấp).
Sau này khi khoa học tiến bộ hơn, Eikelboom đã quan sát thấy có 30 loại vi khuẩn dạng sợi khác nhau không chỉ về hình thái học, sinh lý hay mà cả những ảnh hưởng của chúng đối với bùn hoạt tính. Các loại vi khuẩn dạng sợi này cũng được dùng là vi sinh vật chỉ thị các nguyên nhân làm bùn tạo khối. Theo Chiesa và Irvine (1985) có 3 loại vi sinh vật:
1. Zoogloeal (vi sinh vật tạo bông)
2. Loại vi khuẩn dạng sợi phát triển nhanh nhưng không chịu được thiếu thức ăn.
3. Loại vi khuẩn dạng sợi phát triển chậm nhưng có thể chịu được tình trạng thiếu thức ăn kéo dài.
Wanner và Grau, dựa vào hình thái học, sinh thái học, quá trình trao đổi chất giống nhau và về sự hiện diện của chúng ở những điều kiện vận hành tương tự nhau, mà phân chia thành 4 nhóm đặt tên là S, C, A, F.
1. S-loại sinh trưởng chỉ ở vùng thiếu khí giống Sphaerotilus. 2. C-loại sinh trưởng chỉ ở vùng thiếu khí giống Cyanophyceae. 3. A-loại sinh trưởng ở tất cả các vùng.
4. F-loại vi khuẩn dạng sợi tạo bọt.
Gujer và Kappeler là hai người có những nghiên cứu tương đối công phu đối với động học quần thể bùn hoạt tính. Theo họ, vi sinh vật trong bùn tiêu thụ 2 loại chất nền là các chất dễ dàng bị phân huỷ và các sản phẩm từ quá trình thuỷ phân một số chất nền nhất định. 3 nhóm đó là:
1. Vi sinh vật dị dưỡng tạo bông. 2. Vi sinh vật dị dưỡng dạng sợi. 3. Loại Nocardia.
Còn đối với Jenkins, ông phân làm 4 nhóm khi xem xét đặc điểm sinh lý học của vi sinh vật tạo bông và dạng sợi như sau:
1. Nhóm tạo bông thứ nhất: từ các hệ thống nạp và khuấy trộn hoàn chỉnh hay từ hệ thống bùn hoạt tính có vùng kỵ khí.
2. Nhóm tạo bông thứ hai: từ các bể bùn hoạt tính có gradient nồng độ chất nền cao.
3. Nhóm vi khuẩn dạng sợi thứ nhất: Sphaerotilus natans, 1701 và 021N. 4. Nhóm vi khuẩn dạng sợi thứ hai: Microthrix parvicella và loài 0092.