THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN
3.3.Phương pháp sinh học:
Trong tự nhiên, những chất hữu cơ được phân hủy thành cacbon-dioxit, nước và một số chất hữu cơ vững chắc. Quá trình phân hủy này diễn ra được dưới tác
dụng của vi sinh vật có trong nước. Các vi sinh vật tồn tại trong nước không ở trạng thái riêng rẽ từng loài mà có nhiều loài cùng sống chung với nhau. Tuy nhiên, các vi sinh vật trộn lẫn với nhau và các dạng thực thể của chúng lại phụ thuộc vào điều kiện tính chất và môi trường sống của từng loài vi sinh vật trong quá trình cạnh tranh để hấp thụ thức ăn. Từ đó khả năng hấp thụ thức ăn của vi sinh vật cũng thay đổi, đồng thời quá trình trao đổi chất của chúng với môi trường cũng thay đổi. Các vi sinh vật có khả năng tiêu thụ chất dinh dưỡng rất nhanh và trao đổi chất cao nhất qua cơ thể, đây là một trong những tiêu chuẩn hàng đầu để xử lý nước thải. Những vi sinh vật này có điều kiện tăng trưởng tối ưu.
Việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là làm sạch nước thải bằng việc sử dụng tối đa khả năng hấp thụ của vi sinh vật để hấp thụ những chất hữu cơ.
Vi sinh vật được dùng trong xử lý nước chia làm 2 loài dựa vào khả năng trao đổi chất:
Vi khuẩn tự dưỡng. Vi khuẩn dị dưỡng.
Dựa vào khả năng hô hấp thì chia làm 2 loại sau: Vi khuẩn quang hợp.
Vi khuẩn thực hiện tổng hợp hóa học.
Vi khuẩn có khả năng quang hợp chủ yếu là tảo, chúng hấp thụ những chất sống từ cacbon-dioxit trong nước và thải ra oxi. Ngoài ra một số loài tảo còn có khả năng phân hủy chất hữu cơ ở những chỗ tối nhờ có chất diệp lục như rong tiểu cầu, loài này được sử dụng trong quá trình oxi hóa ở hồ nước để xử lý nước thải.
Các loài vi sinh vật tổng hợp dùng trong xử lý sinh học được chia làm 3 loại: Vi sinh vật ưa khí (1): loài này không thể sống trong môi trường thiếu oxi. Vi sinh vật tùy nghi (2): loài này có thể sống trong môi trường có hay không có oxi, nhưng tốc độ sinh trưởng của chúng sẽ cao hơn nếu trong điều kiện có oxi.
Vi sinh vật kị khí (3): loài này không thể sống trong điều kiện có oxi.
Loài (1) & (2) được dùng trong xử lý sinh học bởi quá trình hoạt hóa nước thải và những quá trình tạo màng sinh học.
Loài (3) được sử dụng cho quá trình tiêu hủy.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí dùng cho việc xử lý nước thải ở nồng độ thấp. Trong khi đó quá trình xử lý kị khí dùng trong xử lý nước thải có nồng độ ô nhiễm cao.
Vi khuẩn chia làm 2 loại theo phương thức dinh dưỡng: Vi khuẩn tự dưỡng và vi khuẩn dị dưỡng.
-Vi khuẩn dị dưỡng:
Nhóm vi khuẩn này thường sử dụng chất hữu cơ và cacbon làm chất dinh dưỡng cho quá trình phát triển của chúng. Có 2 loại vi khuẩn dị dưỡng:
Vi khuẩn hiếu khí: loài này cần oxi để sống
Chất ữu cơ + O2 taêngsinhkhoáivikhuaånhieáukhí→ CO2 + H2O năng lượng
Vi khuẩn kị khí: Chúng có thể sống trong điều kiện không có oxi tự do,
chúng sử dụng oxi trong các hợp chất nitrat hay sunfat để oxi hóa chất hữu cơ. Chất hữu cơ + NO2- CO2 + N2 + năng lượng
Chất hữu cơ + SO42- CO2 + H2S + năng lượng
Axít hữu cơ + CO2 + H2O + năng lượng Chất hữu cơ
CH4 + CO2 + năng lượng -Vi khuẩn tự dưỡng:
Vi khuẩn loại này có khả năng oxy hóa mạnh chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cung cấp cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này gồm có vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh… các phản ứng diễn ra như sau:
Vi khuẩn Nitromonas
2NH4+ + O2 2NO2- + 4H+ + 2H2O + năng lượng Vi khuẩn Nitrobacter
2NO2- + O2 2NO2- + năng lượng
Các vi khuẩn sắt oxy hóa sắt tan trong nước thành sắt không tan Fe2+ + O2 Fe3+ + năng lượng
Các vi khuẩn khử lưu huỳnh: có khả năng chịu được pH thấp, oxy hóa H2S thành H2SO4 gây ăn mòn đường ống và các công trình ngập nước.
Ngoài các vi khuẩn kể trên thì trong nước thải còn có vi khuẩn hoại sinh, chúng thuộc nhóm vi khuẩn di dưỡng hoại sinh. Các loài thường gặp chủ yếu là:
Enterobacterium, Streptococus, Micrococcus, Pseudomonas, Spirochatea, Baccilus, Lactobacillus… Vi khuẩn hoại sinh dùng chất hữu cơ làm thức ăn, chúng phân hủy (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng, thải ra môi trường chất hữu cơ có cấu tạo đơn giản hơn. Vì vậy mà chúng có khả năng phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải.
-Protoazoa:
Đây là loại vi khuẩn không chỉ tiêu thụ chất hữu cơ có trong nước thải mà chúng còn có khả năng ăn các vi khuẩn khác. Như vậy loài này không những đóng vai trò quan trọng là tách chất hữu cơ mà còn khôi phục khả năng hấp thụ bề mặt của màng sinh học hay bông kết tủa.
-Tảo (Algae):
Tảo thuộc nhóm vi thảo mộc, không có rễ, thân, lá. Chúng được xếp vào loại vi tảo là sinh vật hiếu khí tự dưỡng, cần có ánh sáng để quang hợp để phát triển. Đây là loại thực vật phù du có thể trôi nổi trong nước hay bám vào các giá đỡ.
Tảo là sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng CO2 hay bicacbonat làm nguồn cacbon và sử dụng nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời và thải ra oxy cho môi trường. Quá trình quang hợp diễn ra như sau:
CO2 + PO4-2 + NH4+ AÙnhSaùng→ Tế bào mới (tăng sinh khối) + O2
Tảo thường đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy cho nước thải thông qua quá trình quang hợp, khí oxy giải phóng được sử dụng để oxy hóa chất ô nhiễm trong nước thải, quá trình này thường diễn ra trong các hồ sinh học. Tuy nhiên nếu trong nước thải không tiếp xúc với ánh sáng mặt trời thì thường không có tảo.
Trong nước giàu nguồn N, P (đặc biệt là P) sẽ tạo điều kiện tốt cho tảo phát triển. Sự phát triển quá mức này thường gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa làm nước
có màu xanh, nâu, đỏ. Tảo thường không gây độc cho nước nhưng khi phát triển nhiều thì ảnh hưởng đến quá trình xử lý vì tảo rất nhẹ nên khó keo tụ và khó lắng.
-Ảnh hưởng của tảo đến quá trình xử lý nước:
Thay đổi hàm lượng oxy trong nước thải theo độ sâu và theo thời gian trong ngày.
Gây ra sự chuyển hóa mạnh nitrat trong mùa hè, đồng thời làm xuất hiện nhiều nitrat.
Làm biến đổi cân bằng CO2 của nước do tiêu thụ CO2 (quá trình quang hóa) làm thay đổi pH của nước (6,5-9) trên bề mặt nước.
Tạo ra vùng thiếu oxy hay axit hơn ở các lớp nước phía dưới bề mặt lớp nước có tảo.
Làm giảm chất lượng cảm quan của nước. Xuất hiện một số độc tố trong nước.
-Nấm và các vi sinh vật khác:
Các nhóm vi sinh vật khác như: nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn thường có trong nước thải nhưng không nhiều bằng vi khuẩn. Chúng là những vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật di dưỡng. Một số loài có khả năng phân hủy chất hữu cơ, còn một số loài khác còn có khả năng phân hủy Xenlulozơ đặc biệt là Lignin.
Trong đó nấm men phân hủy chất hữu cơ hạn chế, nhưng chúng có thể lên men chuyển hóa đường thành alcol, axit hữu cơ, glixerin trong điều kiện kị khí và phát triển mạnh trong điều kiện hiếu khí.
Vai trò của nấm men, nấm mốc cũng như xạ khuẩn thường không quan trọng bằng vi khuẩn, chúng không có khả năng phân hủy chất hữu cơ trong giai đoạn ban đầu. Với kích thước lớn hơn vi khuẩn và tỷ trọng nhẹ, nên khi phát triển chúng thường kết thành lưới nổi lên mặt nước và gây cản trở cho quá trình lắng.
Các loài nấm thường gặp trong nước thải: Sarolegia, Leptomus. Những loài này thường gây ảnh hưởng cho quá trình xử lý nước, chúng sống chủ yếu trong các ao hồ và phát triển mạnh vào mùa đông, chúng phát triển thành các khối nhầy trong
vòng 90-120 phút có thể làm bít song chắn rác gây cản trở dòng chảy hay tắc nghẽn màng lọc sinh học.
3.3.1.Sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải:
Sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng trưởng kích thước, số lượng tế bào (quá trình sinh sản), phát triển tăng khối lượng của quần thể sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả quá trình biến đổi về hình thái sinh lý diễn ra trong tế bào gọi là quá trình phát triển của tế bào.
Trong quá trình xử lý nước thải, sự sinh trưởng của tế bào cũng là quá trình tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước của tế bào. Kích thước tế bào dao động quanh một giá trị trung bình, việc tính số lượng tế bào phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi sinh vật dị dưỡng, để đảm bảo cho vi sinh vật phát triển thì nguồn nước cần phải đảm bảo nguồn chất dinh dưỡng như N, P sao cho BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Các nguyên tố khoáng khác như K, Mg, Ca cũng phải cung cấp đủ đảm bảo cho hoạt động của vi sinh vật. Các chất độc trong nước thải phải được khử trước khi xử lý bằng vi sinh vật.
Vi sinh vật chủ yếu sinh sản bằng phương pháp nhân đôi tế bào, thời gian phân chia này gọi là thời gian sinh sản, quá trình sinh sản thường kéo dài trong 20 phút hay vài ngày. Tuy nhiên quá trình này kết thúc trong vài ngày vì chúng tùy thuộc vào môi trường. Khi chất dinh dưỡng, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài giá trị tối ưu thì quá trình sinh trưởng dừng lại.
Hình 3.1: Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật
•Quá trình sinh trưởng chia làm 5 giai đoạn:
o Giai đoạn 1: Đây là giai đoạn làm quen hay pha tiềm phát.
o Giai đoạn 2: Giai đoạn sinh sản theo cách nhân đôi tế bào (theo cấp số nhân) hay còn gọi là pha phát triển theo logarit (pha số mũ). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o Giai đoạn 3: Giai đoạn chậm dần (pha ổn định).
o Giai đoạn 4: Giai đoạn ổn định (pha ổn định).
o Giai đoạn 5: Giai đoạn suy giảm (pha suy vong hay pha nội sinh) hay còn gọi là pha hô hấp nội bào.
3.3.2.Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải:
Trong nước thải hầu như có rất ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp khi qua công đoạn xử lý nhiệt. Nước thải trong hệ thống thoát nước qua một thời gian dù rất ngắn thì cũng có vi sinh vật phát triển, trừ nước thải có hàm lượng các chất độc hay chất ức chế diệt vi sinh như: nước thải có hàm lượng kim loại cao hay hàm lượng chất vô cơ độc hại. Sau một thời gian phát triển chúng tạo thành quần thể sinh vật đồng thời kéo theo sự phát triển của các sinh vật thủy sinh.
Mật độ tế bào Thời gian Xf X2 X1 X0 1 2 3 4 5
Quần thể sinh vật trong nước thải không giống nhau, mỗi loại nước thải có hệ sinh vật khác nhau. Các loài này không thể tổng hợp chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng, mà trong nước cần phải có chất hữu cơ để chúng phân hủy chuyển hóa thành những chất dinh dưỡng làm vật liệu xây dựng tế bào. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy này là CO2, H2O và một số khí khác như: CH4, H2S, Indol, Mecaptan, N2…
Trong nước thải, chất bẩn chủ yếu là chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có chất tồn tại dưới dạng keo hay dạng lơ lửng. Các chất hữu cơ này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp thụ hay keo tụ sinh học, sau đó diễn ra quá trình đồng hóa và dị hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, mạch dài thành những chất có khối lượng nhỏ mạch ngắn có cấu tạo đơn giản hơn có thể thẩm thấu qua màng tế bào vào trong tế bào để chuyển sang quá trình phân hủy nội bào hay chuyển sang quá trình đồng hóa.
3.3.3.Quá trình làm sạch nước thải diễn ra theo 2 giai đoạn sau:
•Giai đoạn 1: Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc bề mặt tế bào vi sinh vật.
•Giai đoạn 2: Khuếch tán và hấp thụ chất ô nhiễm qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật.
•Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất này vào trong nội bào để sinh năng lượng và tổng hợp vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật.
Các giai đoạn này liên quan chặc chẽ với nhau, kết quả là nồng độ chất ô nhiễm giảm dần, điều này thể hiện ở những vùng có vi sinh vật phát triển nhiều thì nồng độ chất ô nhiễm thấp hơn những vùng khác.
-Quá trình phân hủy chất trong tế bào vi sinh vật diễn ra như sau:
Các hợp chất bị oxy hóa đầu tiên là hydracacbon (tinh bột) và một số hợp chất hữu cơ khác. Nếu là tinh bột thì sẽ được hấp thụ qua bề mặt tế bào vi sinh vật theo cơ chế cảm ứng, lúc này vi sinh vật sẽ tiết ra enzim tương ứng để thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành các đường đơn giản. Đối với protein dưới tác dụng của men proteinaza xúc tác quá trình phân hủy thành polypeptic, pepton, axit amin và cuối cùng là NH4+, đối với chất béo thì sẽ phân hủy chúng thành glyxerin
và axit béo. Các enzim này sẽ tách H+ ra khỏi phân tử enzim kết hợp với oxy tạo thành nước.
Đường, rượu và các sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ khác sẽ được phân hủy tạo thành CO2 và H2O. Trung tâm của quá trình oxi hóa khử là quá trình hô hấp nội bào. Quá trình phân hủy hay quá trình oxi hóa khử không phải tất cả đều tạo ra CO2 và H2O, các sản phẩm phụ được tạo ra tham gia vào quá trình đồng hóa hay quá trình sinh tổng hợp vật chất tổng hợp tế bào để hình thành tế bào mới phục vụ cho quá trình sinh trưởng. Song song với quá trình đồng hóa trong tế bào luôn xảy ra quá trình dị hóa tạo ra năng luợng phục vụ cho quá trình đồng hóa.
Các phản ứng chuyển hóa chất hữu cơ là phản ứng phân hủy hay phản ứng oxi hóa khử trong quá trình hô hấp của vi sinh vật. Có 2 loại phản ứng phân hủy: phân hủy hiếu khí và phân hủy kị khí. Cơ chất của phản ứng oxi hóa ở đây là các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải, được thể hiện bằng BOD. Do hoạt động sống của vi sinh vật, các chất bẩn có trong nước thải sẽ được làm sạch và đồng thời sản phẩm phân hủy sẽ phục vụ cho vi sinh vật sinh trưởng và tăng sinh khối.
3.3.4.Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong nước thải
-Quá trình phân hủy hiếu khí:
Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinhvật sau khi tiếp xúc với nước thải có chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hòa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ sẽ tạo ra môi trường kị khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luôn thấp hơn vận tốc hòa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khoáng chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần có trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần.
Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn
hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch