6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.9. Động học trong quá trình xử lý sinh học
Quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật thực chất là một quá trình lên men. Trong trường hợp chung tốc độ phản ứng lên men chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường, trong đó các yếu tố chính là nhiệt độ, độ pH, nồng độ enzim, chất kìm hãm, chất hoạt hoá và nồng độ của cơ chất. Sự phụ thuộc
tốc độ phản ứng lên men vào nồng độ cơ chất S và nồng độ enzim E tuân theo phương trình Michaelis - Menten (1913) [14]:
M V.[S] v = K +[S] Trong đó: - v: tốc độ phản ứng lên men.
- V: tốc độ phản ứng lên men cực đại (mg/L.s). - [S]: nồng độ cơ chất (mg/l).
- KM: hằng số Michaelis – Menten (mol/L).
Để tính toán động học quá trình cần chú ý tới hàng loạt các chỉ số [13]:
Sinh trưởng tế bào:
Tốc độ tăng trưởng của tế bào của vi sinh vật có thể biểu diễn theo công thức sau:
rg = dX
dt = μ.X (1.1) Trong đó:
+ rg: tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích.thời gian (g/m3.s)).
+ μ: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng (thời gian-1
(1/giây)).
+ X: nồng độ vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích (g/m3 hoặc mg/L)).
Cơ chất sinh trưởng giới hạn:
Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn tới sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy liên tục có thể tính theo công thức của Monod đề xuất dựa trên phương trình cơ bản của động học enzim của Michaelis – Menten. Phương trình này đã chấp nhận giả thiết: tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng enzim, bao gồm cả sự thiếu các chất cần thiết. Phương trình này có dạng:
μ = μm s
S
K +S (1.2)
Trong đó:
- μ: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng (thời gian-1).
- μm: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (thời gian-1).
- S: nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích).
- Ks: hằng số tương ứng với ½ tốc độ cực đại, thể hiện sự ảnh hưởng của cơ chất ở thời điểm đạt ½ tốc độ cực đại (khối lượng/đơn vị thể tích).
Từ (1.1) và (1.2) ta có công thức tính tốc độ sinh trưởng: rg = μm
S X.S K +S
Sinh trưởng tế bào và sử dụng cơ chất:
Nếu như tất cả dinh dưỡng đều chuyển thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng bằng tốc độ sản sinh sinh khối. Nhưng vì sự dị hóa còn chuyển hóa một phần dinh dưỡng thành các sản phẩm phụ khác nên tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ sản sinh sinh khối. Quan hệ giữa tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng là như sau:
rg = -Y.rsu (1.3) Trong đó:
- rg: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn.
- Y: hệ số sử dụng cơ chất tối đa (mg/L) (là tỉ số giữa sinh khối và khối lượng cơ chất được tiêu thụ trong một thời gian nhất định trong pha sinh trưởng logarit). - rsu: tốc độ sử dụng cơ chất (g/m3.giây). Từ (1.2), (1.3) ta có: rsu = - μm X.S Y(K +S)
Ảnh hưởng của trao đổi chất nội sinh (hô hấp nội bào)
Quần thể vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải không phải tất cả đều có tuổi thọ như nhau hoặc ở pha sinh trưởng logarit. Trong đó một số ở giai đoạn sinh trưởng chậm dần, một số khác thì bị chết. Những dạng tế bào này sẽ bị phân hủy nội bào và sản phẩm phân hủy tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào. Quá trình phân hủy nội bào được diễn tả đại thể như sau:
2C2H5O2N + 9O2 10CO2 + 2H2O + 2NH3 Tốc độ phân hủy nội bào (rd) được tính theo công thức:
rd = - Kd.X Trong đó:
- Kd: tốc độ phân hủy nội bào (thời gian-1)
- X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3)
Như vậy, cần kết hợp quá trình sinh trưởng và quá trình phân hủy nội bào để tính tốc độ sinh trưởng thực của tế bào:
rg’ = μm S X.S K +S - Kd.X = -Y.rsu - Kd.X (rg ’
: tốc độ sinh trưởng thực của quần thể vi sinh vật).
Tốc độ sinh trưởng riêng thực của vi sinh vật tính theo công thức của Van Uden: μ' = μm d s S - K K +S
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzim, khả năng hòa tan các khí vào chất lỏng, khả năng lắng của chất rắn sinh học…
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng của quá trình sinh học thường được thể hiện bằng công thức sau:
rT = r20θ(T-20) Trong đó:
- rT: tốc độ phản ứng ở T 0C - r20: tốc độ phản ứng ở 20 0C
- θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ (thường lấy bằng 1,047)
- Nồng độ các muối vô cơ: cần khống chế sao cho không vượt quá 10 g/L.
1.10. Những thông số cơ bản đánh giá chất lƣợng nƣớc
1.10.1. Độ pH
Độ pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy cần thiết phải trung hòa hay không và tính toán lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ, khử khuẩn…
Sự thay đổi pH làm thay đổi các thành phần hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc của các phản ứng sinh hóa xảy ra trong nước [1], [13].
1.10.2. Hàm lượng các chất rắn
Các chất rắn có trong nước như các chất vô cơ ở dạng muối hòa tan hoặc không tan và các chất hữu cơ như xác các vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, động thực vật phù du…, các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, các chất thải công nghiệp.
Chất rắn trong nước làm trở ngại cho việc sử dụng và lưu chuyển nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản [2],13].
1.10.3. Màu sắc
Nước có thể có màu, đặc biệt là nước thải thường có màu nâu đen hoặc đỏ nâu. Nguyên nhân xuất hiện màu do các chất hữu cơ trong xác động vật, thực vật phân rã tạo thành, hoặc nước có sắt và mangan ở dạng keo hoặc hòa tan. Đối với nước thải công nghiệp, tùy thuộc vào bản chất từng loại nước khác nhau cho màu sắc khác nhau: dệt nhuộm, luyện kim, xi măng…
1.10.4. Độ đục
Độ đục của nước do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của các sinh vật tự dưỡng trong nước, gây giảm thẩm mỹ và làm giảm chất lượng của nước khi sử dụng. Vi sinh vật có thể bị hấp phụ bởi các hạt rắn lơ lửng sẽ gây khó khăn khi khử khuẩn.
Độ đục được đo bằng phương pháp so sánh với một thang độ đục chuẩn.
1.10.5. Oxi hòa tan (DO – Dissolve oxigen)
DO là hàm lượng oxi hòa tan trong nước rất cần thiết cho các vi sinh vật sống và phát triển. Thông thường oxi rất ít tan trong nước, độ tan của oxi trong nước là 8 mg/L ở 200
C.
Mức oxi hòa tan trong nước tự nhiên và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, các hoạt động của giới thủy sinh, các hoạt động sinh hóa, hóa học và vật lý của nước. Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxi trầm trọng. Chỉ số oxi hòa tan (DO) là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp ta đề ra các biện pháp xử lý thích hợp.
1.10.6. Chỉ số COD (nhu cầu oxi hóa học – chemical oxigen Demand)
Chỉ số này được sử dụng rộng rãi để đặc trưng cho hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên.
COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong mẫu nước thành CO2 và nước.
Để xác định COD người ta thường sử dụng một chất oxi hóa mạnh trong
môi trường axit. Chất oxi hóa thường dùng là kali đicromat (K2Cr2O7). Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ 2Cr3+ + 2K+ + CO2 + H2O
1.10.7. Chỉ số BOD (nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical oxigen Demand)
Là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi Ag2SO4, t0
sinh vật. Quá trình này được gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Quá trình này được tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Vi sinh vật tế bào mới (tăng sinh khối)
Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, các chất có độc tính ở trong nước. Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo và 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21.
Để xác định BOD5 người ta lấy một lượng nhất định mẫu vào chai sẫm màu, pha loãng bằng một thể tích dung dịch pha loãng (nước cất có bổ sung một vài nguyên tố dinh dưỡng N, P, K… bão hòa oxi) theo tỉ lệ tính toán sẵn sao cho đảm bảo dư oxi hòa tan cho quá trình phân hủy sinh học (nếu mẫu nước chứa vi sinh vật vào).
Xác định nồng độ oxi hòa tan (D1) sau đó đem ủ mẫu trong buồng tối 200C, sau 5 ngày đem xác định lại nồng độ oxi hòa tan (D5).
1 5 5 D D BOD P
(mgO2/L); P: tỉ số pha loãng
tpt tptpl V P V Trong đó:
Vtpt : Thể tích mẫu nước thải đem phân tích
Vtptpl : Tổng thể tích nước thải đem phân tích và nước pha loãng
1.10.8. Hàm lượng nitơ
Trong quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ vi sinh vật đã sản sinh ra một lượng nitơ đáng kể. Nitơ hữu cơ, nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat và nitơ tự do. Vì nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào, tổng hợp protein nên
số liệu về nitơ sẽ rất cần thiết để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải nào đó bằng các quá trình sinh học.
Chỉ tiêu hàm lượng nitơ trong nước cũng được xem như các chỉ thị cho biết tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân hủy các hợp chất chứa protein, nghĩa là ở điều kiện hiếu khí xảy ra quá trình oxi hóa theo trình tự sau:
Oxi hóa
Protein NH3 Nitromonas NO2- Nitrobacter NO3-
Tổng nitơ là tổng các hàm lượng nitơ hữu cơ, amoniac, nitrit, nitrat. Hàm lượng nitơ hữu cơ được xác định bằng phương pháp Kendal. Tổng nitơ Kendal là tổng nitơ hữu cơ và nitơ amonac. Chỉ tiêu amoniac thường được xác định bằng phương pháp so màu hoặc chuẩn độ, còn nitrit và nitrat được xác định bằng phương pháp so màu.
1.10.9. Hàm lượng photpho
Ngày nay người ta quan tâm đến việc kiểm soát hàm lượng các hợp chất chứa photpho trong nước bề mặt, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp vì nguyên tố này là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phát triển bùng nổ của tảo ở một số nguồn nước mặt (hiện tượng phú dưỡng). Chỉ tiêu này có ý nghĩa quan trọng để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ ăn mòn và xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.
1.10.10. Hàm lượng sunfat
Ion sunfat thường có trong nước cấp sinh hoạt cũng như trong nước thải. Lưu huỳnh cũng là nguyên tố cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp protein và được giải phóng ra trong quá trình phân hủy chúng. Sunfat bị phân hủy kị khí theo phản ứng sau:
Chất hữu cơ + SO42- Vi khuẩn kị khí S2- + H2O + CO2 S2- + 2H+ H2S
Khí hidrosulfua được giải phóng vào không khí, một phần khí này tích tụ tại các hốc bề mặt nhám của ống dẫn và có thể bị oxi hóa sinh học tạo thành axit sunfuric làm ăn mòn các ống dẫn. Mặt khác khí hidrosulfua còn gây mùi khó chịu và độc hại cho con người.
1.10.11. Chỉ số vi sinh
Trong nước thải đặc biệt là nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải vùng du lịch,… nhiễm nhiều vi sinh vật có sẵn trong phân người và phân gia súc. Trong đó có thể có nhiều loài vi khuẩn gây bệnh, đặc biệt là các bệnh về tiêu hóa như tả, lị, thương hàn, các vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm. Các vi khuẩn đường ruột được chia thành 3 nhóm:
- Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E.coli). - Nhóm Streptococus đặc trưng là Streptococus faecalis.
- Nhóm Clotridium đặc trưng là Clostridium perfringens.
Việc xác định tất cả các loài vi sinh vật ở trong phân bị hòa tan vào nước, kể cả các vi khuẩn gây bệnh rất khó khăn và phức tạp. Trong các nhóm vi sinh vật ở trong phân, người ta thường chọn E.coli làm vi sinh vật chỉ thị cho chỉ tiêu vệ sinh.
1.11. Đặc điểm nƣớc thải nuôi tôm
Nước thải nuôi tôm có lưu lượng không lớn như nước thải công nghiệp nhưng lượng bùn nhiều kèm theo các chất hữu cơ có trong nước thải khiến chất lượng môi trường xung quanh bị suy giảm nhiều.
Nước thải nuôi tôm có chứa các chất thải bắt nguồn từ thức ăn do tôm không ăn hết, phân tôm và chuyển hoá dinh dưỡng là nguồn gốc chủ yếu gây ô nhiễm. Ngoài ra các nguồn khác như mảnh vụn thực vật phù du hoặc tảo ở dạng sợi (lab-lab), các chất lắng đọng, chất hữu cơ hoà tan/huyền phù, các chất kháng sinh, thuốc trị liệu và kích thích tố cũng là các nguồn gốc gây nên ô nhiễm.
Các chất thải hữu cơ bắt nguồn từ thức ăn thừa, phân tôm,… dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật, còn các chất hữu cơ có nguồn gốc từ các loại thuốc kháng sinh, thuốc trị liệu rất khó bị phân hủy bởi vi sinh vật nguyên nhân do trong thành phần của thuốc kháng sinh có chứa các chất hữu cơ bền, khó phân hủy sinh học.
Trung bình lượng nước thải ra sau mỗi vụ nuôi là 9000-12000 m3 /ha. Lượng bùn đáy ao là 1500 m3
/ha chứa nhiều hợp chất hữu cơ, nguyên tố vi lượng, thuốc kháng sinh, khí độc và các loại vi khuẩn gây bệnh.
Sau mỗi vụ nuôi, bùn ở ao lắng bùn được nạo vét, phần nước thải được lắng ở ao lắng, sau đó xả ra ngoài mương và ra biển.
1.12. Một số kỹ thuật xử lý nƣớc thải nuôi tôm bằng vi sinh vật
Nước thải nuôi tôm trong môi trường nước lợ có chứa lượng lớn chất hữu cơ gây ô nhiễm và một số chất khác,… độ mặn thấp và lượng bùn cao.
Để tách được những chất gây ô nhiễm này ra khỏi môi trường nước nuôi tôm,thì hiện nay có nhiều công nghệ xử lý như:
Xử lý nước thải theo công nghệ SBR [27], [31]
Công nghệ xử lý nước thải theo mẻ liên tục SBR (Sequencing Batch Reactor) đã được các nhà khoa học trên thế giới lựa chọn bởi những tính ưu việt của phương pháp này mang lại khi xử lý nguồn nước thải nuôi tôm. Những chủng vi sinh để xử lý chất ô nhiễm từ quá trình nuôi tôm trong môi trường nước lợ có thể lấy từ nguồn chế phẩm sinh học như Super VS, BRF-2 quakit hay từ nguồn vi sinh vật có sẵn trong nước thải và phát triển chúng trong điều kiện thích hợp.
Khi hệ SBR hoạt động hiếu khí thì lượng COD trong nước thải được giảm mạnh. Quá trình này được thực hiện thành công nhờ vào những hệ vi sinh vật có trong bùn giúp thực hiện quá trình loại bỏ hàm lượng chất hữu cơ. Không cần phải thêm các vi sinh vật đặc biệt cho sự trao đổi chất của carbon
và nitơ, vì SBR đã loại bỏ thành công cả hai khỏi nước thải.
Bể SBR hoạt động theo một chu kỳ tuần hoàn với 5 quá trình bao gồm: Làm đầy (Fill), sục khí phản ứng (React), lắng (Settle), rút nước (Decant) và nghỉ (Idle). Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học.
Hình 1.3 Chu trình xử lý nƣớc thải bằng công nghệ SBR (Squencing batch reactor)
Xử lý nước thải bằng công nghệ MBBR
MBBR là từ viết tắt của cụm từ Moving Bed Biofilm Reactor, là quá