CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢ
4.1. Phương pháp hiếu khí:
Phương pháp này dựa trên cơ sở hoạt động phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải của các vi sinh vật. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình phát triển, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Phương pháp này được sử dụng để xử lý hồn tồn các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải. Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau khi nước thải được xử lý sơ bộ qua các quá trình xử lý cơ học, hóa học, hóa lý.Các phương pháp sinh học có thể được phân chia dựa trên các cơ sở khác nhau, song nhìn chung có thể chia thành hai loại chính như sau:
-Hiếu khí sinh trưởng lơ lửng. -Hiếu khí sinh trưởng dính bám.
4.1.1. Hiếu khí sinh trưởng lơ lửng:
Nguyên lý của phương pháp này là dựa trên quá trình sinh trưởng lơ lửng của vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải, chúng sống và hoạt động lơ lửng trong nước thải, khi có các hợp chất hữu cơ thì chúng bám vào các chất hữu cơ và làm nguồn thức ăn và nơi cư trú, sau khi sử dụng hết các chất hữu cơ chúng tiến hành quá trình tự lắng.
Sau đây là giới thiệu một số công trình hiếu khí lơ lửng:
Loại bể này sử dụng khá phổ biến trong công trình xử lý nước thải chế biến thủy sản.
SBR ( sequencing batch reactor): Bể phản ứng theo mẻ l dạng công trình xử lí nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính , nhưng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một kết cấu.
Hệ thống SBR là hệ thống dùng đểxử lý nước thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao.
Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm nước thải – phản ứng – lắng – hút nước thải ra; trong đó quá trình phản ứng hay tạo cặn gọi chung là quá trình tạo hạt (bùn hạt hiếu khí), quá trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, đặc điểm chất nền trong nước thải đầu vào.
-Các quá trình xãy ra trong bể SBR:
Qu trình phn hủy hiếu khí cơ chất đầu vào và nitrat hóa.
Qu trình được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng, khi điều kiện cấp khí và chất nền được đảm bảo trong bể sẽ diễn ra các quá trình sau:
• Oxy hóa các chất hữu cơ
CxHyOz + (x+y/4 – z/2) O2 → x CO2 + y/2 H2O • Tổng hợp sinh khối tế bào
n(CxHyOz) + nNH3+ n(x+y/4 –z/2-5)O2→(C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + n(y- 4)/2 H2O
• Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phn hủy nội bào) (C5H7NO2)n + 5NO2 → 5n CO2 + 2n H2O + nNH3 • Quá trình nitrit hóa
2NH3 + 3O2 → 2NO2- + 2H+ + 2H2O (vi khuẩn nitrosomonas) ( 2NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O)
2NO2- + O2 → 2NO3- (vi khuẩn nitrobacter) Tổng phản ứng oxy hóa amoni:
NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + 2H2O -Thành phần vi sinh vật trong bể SBR:
Bảng 4.1. Thành phần vi sinh vật trong bể SBR:
STT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân huỷ hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ….và khử nitrat
2 Arthrobacter Phân huỷ hydratcacbon
3 Bacillus Phân huỷ hydratcacbon, protein…. 4 Cytophaga Phân huỷ polimer
5 Zoogloea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ
6 Acinetobacter Tích luỹ poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hoá
8 Nitrobacter Nitrat hoá
9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ
10 Alkaligenes Phân huỷ protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân huỷ protein
12 Nitrococus denitrificans 13 Thiobaccillus denitrificans 14 Acinetobacter
15 Hyphomicrobium
16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat
Nguồn:công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học của PGSTS. LƯƠNG ĐỨC PHẨM
Hệ vi sinh vật trong bễ SBR bao gồm tất cả các loại vi khuẩn và các Eukaryote cực nhỏ, có thể phân chia thành 5 nhóm chính: các vi sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hoá, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại.
Các vi sinh vật tạo bọt khí: có vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bởi vì nếu không có chúng thì sinh khối không thể được phân chia từ quá trình xử lý nước thải hay các chất ô nhiễm hữu cơ dạng keo không thể bị đào thải. Các vi sinh vật tạo bọt khí thường là động vật nguyên sinh và nấm, chúng làm cho vi khuẩn kết bông lại. Tuy nhiên chiếm ưu thế hơn hẳn vẫn là các vi khuẩn trong đó Zooglea ramigera đóng vai trò khá quan trọng
Vi sinh vật hoại sinh: là các vi sinh vật có khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng đầu tiên và hầu hết chúng ở dạng kết chùm. Các vi sinh vật hoại sinh cũng được chia làm 2 loại: phân huỷ sơ cấp và thứ cấp.Loài Saprophytes chủ yếu là các gram âm, ngoài ra còn có Achorombacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus và Pseudomonas.
Các vi khuẩn nitrat hoá: thực hiện quá trình chuyển hoá N-NH3 thành N- NO3 , và có thể được thực hiện bởi cả hệ vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng. Quá trình nitrat hoá trong hệ thống xử lý nước thải thường được xem là do các vi khuẩn tự dưỡng, đầu tiên có thể kể đến là loài Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrosomonas oxy hoá N-NH3 thành N=NO3 nhưng có kèm theo sản phẩm trung gian, trong khi đó Nitrobacter oxy hoá N=NH3 trực tiếp sang dạng N-NO3.
Loài động vật ăn thịt: chính trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng là các động nguyên sinh (protozoa), thức ăn chính của chúng là các vi khuẩn.Có khoảng 230 loài đã được xác định là có tham gia vào quá trình xãy ra trong bùn hoạt tính và chúng có thể tạo ra khoảng 5% sinh khối trong hệ thống.Những loài có roi thường là các động vật nguyên sinh chiếm ưu thế, cả về số lượng lẫn khối lượng sinh khối.Trong một số trường hợp, cả amip và loài có roi có thể hiện diện với số lượng rất nhỏ, nhưng chúng vẫn đóng vai trò hết sức quan trọng cho quá trình lắng đọng và ổn định hệ thống.
Các sinh vật gây hại: trong quá trình chuyển hoá sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, vấn đề phát sinh nhiều nhất là việc loại bỏ sinh khối từ nước thải đã qua xử lý, nguyên nhân chính là do các vi khuẩn dạng sợi và các loại nấm. Các vi khuẩn dạng sợi tồn tại với số lượng nhỏ là điều rất tốt, giúp ổn định các phân tử bọt nhưng nếu số lượng quá lớn thì lại là điều không tốt. Loài vi khuẩn tiêu biểu là Sphaerotilus natans.
Một tác nhân gây hại nữa trong sinh trưởng lơ lửng là việc thừa bọt trong hệ thống.Điều này gây ra trước hết là do vi khuẩn Nocardia và các loài Microthrix pavicella.Vì Nocardia và Microthrix pavicella là các tế bào không ưa nước trên bề
mặt, chúng tạo ra các bong bóng trên mặt nước nơi chúng ở, vì vậy tạo ra bọt khí và gây ra hiện tượng dư bọt.
Các tác động này cũng tạo ra tương tự vùng thiếu oxy trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng kéo theo sự gia tăng của vi khuẩn khử nitrat hoá. Quá trình này có thể được hoàn toàn bởi một số lượng lớn các vi khuẩn tìm thấy trong hệ thống xử lý nước bao gồm: Aerobacter, Alcaligenous, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, và Pseudomonas.
Vi khuẩn chiếm ưu thế (90%) trong hệ thống xử lý. Sự phát triển của vi khuẩn phụ thuộc vào điều kiện môi trường , các yếu tố về thiết kế, vận hành hệ thống và tính chất của nước thải.Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0.3-1µm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tuỳ nghi và vi khuẩn kị khí. Một số vi khuẩn dị dưỡng thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Citromonas, Flavobacterium, và Zoogloea. Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hoá ammoniac thành nitrat là: vi khuẩn Nitrobacter và Nitrosomonas.
Nấm: là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính, các vi sinh vật đa bào này tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong môi trường hoạt động. Chỉ có một lượng nhỏ nấm có khả năng oxy hoá NH3 thành nitrit và nitrat. Các loại nấm thông thường là: Sphaerotilus natans và Zoogloea sp.
Protozoan: là vi sinh vật có kích thước 10-100 µm được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính. Đây là nhóm vi sinh vật chỉ thị cho hoạt động của hệ thống xử lý nước thải. Trong hệ thống bùn hoạt tính, protozoan được chia làm 4 nhóm chính: protozoa, amip, flagellates, và ciliates (dạng bơi tự do, dạng bò trường, dạng có tiêm mao).
Amip: thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng không tồn tại lâu tại các bể hiếu khí.Amip chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu khí có tải cao. Chúng di chuyển chậm và khó cạnh tranh thức ăn, nhất là khi nguồn thức ăn bị hạn chế, nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể hiếu khí trong một thời gian ngắn. Thức ăn của Amip là các chất hữu cơ kích thước nhỏ. Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện
nhiều Amip chứng tỏ đang bị sốc tải.Khi đó DO thấp (Amip tồn tại được lâu trong môi trường có DO thấp).
Flagellates: ngay sau khi amip bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn còn chứa một lượng chất hữu cơ cao, thì flagellates xuất hiện.Phần lớn Flagellates hấp thụ các chất dinh dưỡng hoà tan. Cả Flagellactes và vi khuẩn đều sử dụng chất hữu cơ. Tuy nhiên, khi thức ăn giảm Flagellactes khó cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng.Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định, điều này chứng tỏ nước thải vẫn còn chứa một lượng lớn chất hữu cơ hoà tan.
Ciliates: thức ăn của Ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng. Ciliates cạnh tranh nguồn thức ăn với Rotifer.Sự hiện diện của Ciliates chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo bông và phần lớn các chất hữu cơ đã được loại bỏ. Có 3 loại Ciliates: các Ciliates bơi tự do xuất hiện khi Flagellates bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của Ciliates bơi tự do này. Các loài Ciliates trườn, bò: khi thức ăn bùn lớn và ổn định, loài Ciliates này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loài Ciliate bơi tự do là nhờ vào khả năng này. Các Ciliate có tiêm mao: xuất hiện ở bùn đã ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các loài Ciliate trườn, bò cạnh tranh nhau về thức ăn. Ciliates hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính là: Aspidisca costata, Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta và O.microdiscum, Trachelophyllum pusillum, Vorticella convallaria và V.microstoma. Ciliates có nhiệm vụ loại bỏ E.coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm.
Rotifer: là động vật đa bào có hai bộ tiêm mao chuyển động xoay tròn, làm cho hình dạng của chúng như hai bánh xe xoay đối nhau.Chúng di động nhanh trong nước, có khả năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguồn thức ăn, giống như Protozoa.Đây là vi sinh vật hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của nước thải.Chúng thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định, nước có hàm lượng hữu cơ thấp.Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong hệ thống xử lý nước thải. Vai trò chính của Rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn. Chính Rotifer sử dụng vi khuẩn không tạo bông, làm giảm độ đục
của nước thải. Các màng nhầy được Rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bông dễ dàng. Rotifer can thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý. Rotifer phát triển trong bùn cũ và điều kiện oxy nay đủ. Nhạy cảm với độc tố và sự thay đổi thành phần nước thải.
Virut: cũng được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính và việc loại bỏ virut nhờ cơ chế đối kháng sinh học, sự hấp phụ, quá trình khử các chất lơ lửng, các chất keo, quá trình thổi khí,……
-Động học quá trình hiếu khí trong bễ SBR: +Động học phản ứng trong màng vi sinh vật:
Những phân tích lý thuyết cho thấy động học phản ứng trong màng vi sinh vật phức tạp hơn rất nhiều so với động học phản ứng của quá trình bùn hoạt tính; bởi vì tốc độ phản ứng làm sạch nước trong quá trình bùn hoạt tính chỉ chịu ảnh hưởng của tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật. Trong khi đó trong quá trình màng vi sinh vật các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bao gồm tốc độ vận chuyển cơ chất vào màng vi sinh vật bởi quá trình khuếch tán phân tử và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh vật. Ngoài ra, phản ứng thuỷ phân các chất hữu cơ cao phân tử trên bề mặt màng vi sinh vật thành những chất hữu cơ có phân tử lượng thấp hơn để chúng có thể khuếch tán vào trong màng vi sinh cũng là một yếu tố hạn chế của tốc độ phản ứng sinh hoá trong quá trình màng vi sinh vật. Màng vi sinh vật có thể coi như một hệ thống phản ứng với xúc tác enzyme tĩnh. Trong hệ thống tồn tại pha lỏng – nước thải, pha rắn – màng vi sinh vật và pha khí (đối với quá trình hiếu khí)
Cơ chế của quá trình loại bỏ cơ chất trong hệ thống màng vi sinh vật có thể được miêu tả như sau: nước thải chảy qua bề mặt màng vi sinh vật với vận tốc chảy đều, cơ chất có khối lượng phân tử nhỏ dễ dàng từ nước thải tiếp xúc với màng vi sinh vật và được vận chuyển vào màng theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ và trao đổi chất bởi vi sinh vật.Những sản phẩm cuối của quá trình phản ứng sinh học đi ngược trở ra khỏi màng.
Hệ thống SBR linh động có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau với nhiều thành phần và tải trọng.
Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể. Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí, hệ thống thổi khí.
-Nhược điểm:
Do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau.
Công suất xử lý thấp (do hoạt động theo mẻ) Người vận hành phải có kỹ thuật cao.
4.1.2.Sau đây là sơ đồ xử lý nước thải có ứng dụng bễ SBR.
Váng dầu Bể điều hòa
Bể keo tụ - tạo bông Bể lắng
Mương trung hòa Bể SBR Hóa chất HN 377,HN 378 Bể chứa bùn Song chắn rác thô Hố thu gom Song chắn rác tinh Bể tuyển nổi – vớt dầu Bể khử trùng Ra môi trường Thu gom và xử lý theo quy định Nước thải sản xuất và sinh hoạt từ các đơn vị trong KCN Bình Chiểu Nước ép bùn Song chắn rác thô Hố thu gom Song chắn rác tinh Nước thải sản xuất và sinh hoạt từ các đơn vị trong KCN Bình Chiểu Bùn mang đi Máy ép bùn Sân phơi bùn Bể khử trùng Ra môi trường
-Thiết minh sơ đồ:
ở khu công nghiệp Bình Chiểu bao gồm nhà máy chế biến thuỷ sản và nhà máy si mạ, và căn tin cho công nhân, do đó thành phần nước thải chủ yếu là các chất hữu cơ và kim loại nặng.
Nước thải sau khi qua các trạm xử lý cục bộ của các nhà máy thì đến trạm xử lý tập trung.
Nước dẩn qua song chắn rác thô rồi vào hố thu gom, ở hố thu gom có lắp đặt hệ thống bơm chiềm và bơm nước qua song chắn rác tinh vô bể tuyển nổi. tuyển nổi các ván dầu và các chất có trọng lượng nhẹ hơn nước .Thời gian tuyển nổi thường là 30 phút, rồi tiến hành cho nước vào bể điều hoà . Trong bể điều hoà có lắp đặt các hệ thống cánh khuấy và bơm chiềm, hệ thống cánh khuấy có tác dụng khuấy đảo trộn điều nước thải nhằm tránh hiện tượng phân huỷ kị khí ở bể điều hoà. Thông thường thời gian lưu nước trong bể là 2h.
Sau khi điều hoà nước song người ta tiến hành cho nước vào bể keo tụ tạo bông . Trong bể này người ta lắp đặt hệ thống cánh khuấy, khuấy đảo liên tục. ở giai đoạn này có bổ sung hoá chất để tăng hiệu quả keo tụ.