CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
2.6. Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải
Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật, để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải, thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Vi sinh vật có trong nước thải
hữu cơ tổng hợp nhân tạo, một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra 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 (gần như hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan. Quá trình sinh học xử lý nước thải vừa phân hủy, vừa oxy hóa các cơ
chất, đồng thời đồng hóa các chất hữu cơ và NH4 +
, PO4 3-
để sinh trưởng. Sinh khối
của các vi sinh vật tăng, sản sinh ra các enzym thủy phân và oxy hóa khử làm tăng
hoạt tính của cộng đồng vi sinh vật, nhằm khử các chất bẩn hữu cơ (BOD hoặc
COD), nitrate hóa, khử nitrate, khử phosphor và ổn định chất thải nhờ quá trình chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành pha khí, vỏ của tế bào vi sinh vật tạo ra các
bông bùn cặn sinh học rồi loại các bông bùn này ra khỏi nước thải. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học xuất phát từ các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường gặp hai kiểu sinh trưởng: Sinh trưởng lơ lửng đồng nghĩa với bùn hoạt tính; Sinh trưởng dính bám đồng nghĩa với màng sinh học. Nhờ các biện pháp
nhân tạo hoạt tính của vi sinh vật được tăng cường thì hiệu quả làm sạch chất bẩn
không ngừng được tăng lên (Nguyễn Đức Lượng, 2002).
2.6.1 Sinh trưởng dính bám - màng sinh học (biofilms) trong xử lý nước thải
Màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hóa
các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng, hệ vi sinh vật bao phủ bề mặt
vật liệu tạo ra lớp màng dày từ 1 – 3 mm, màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính. Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện. Ở ngoài cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ
thấy là trực khuẩn Bacillus, ở giữa là các vi khuẩn kỵ khí tùy nghi như Alcaligenes,
Pseudomonas, Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử sunfate và nitrate như Desulfovibrio (Hình 2.1).
Hình 2.1: Mô phỏng cấu tạo màng sinh học (Nguyễn Văn Phước, 2007)
O2 NH4 BOD Nước thải Màng VSV kỵ khí Lớp màng hiệu quả H2S acid hữu cơ Môi trường NO3 NO2 Màng VSV hiếu khí
Vi sinh vật trong màng sinh học sẽ oxy hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng
làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Như vậy chất hữu cơ được tách ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên (Nguyễn Văn Phước, 2007).
Màng sinh học được ứng dụng trong các hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải như: đĩa quay sinh học, lọc sinh học nhỏ giọt, lọc sinh học ngập nước.
Cơ sởđể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình chuyển hoá vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tựdưỡng có trong tự nhiên, nhờ khảnăng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải. Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amôn hoá chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi khuẩn amôn hóa. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối thuộc các bộPseudomonadales, Eubateriales…
mà protein bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptid, oligopeptid. Các chất này tiếp tục được phân hủy thành các acid amin nhờ men peptidase ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đó sẽ được phân hủy tiếp trong tế
bào thành các acid amin. Các acid amin, một phần được vi sinh vật sử dụng để sinh tổng hợp protein, xây dựng tế bào mới, một phần bị phân giải tiếp theo những con
đường khác nhau để tạo NH3 và nhiều sản phẩm trung gian khác (Bảng 2.2).
Bảng 2.2: Một số chủng vi khuẩn tham gia xử lý nước thải
Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitrobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus denitrificans Thiobacillus denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio
Phân hủy carbohydrate, protein, các hợp chất hữu cơ
khác và phản nitrate hóa Phân hủy carbohydrate
Phân hủy carbohydrate, protein… Phân hủy các polymer
Tạo thành chất nhầy (polysaccharide), tạo chất keo tụ
Tích lũy polyphosphate, phản nitrate Nitrate hóa
Nitrate hóa
Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ
Phân hủy protein, phản nitrate hóa Phân hủy protein
Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Phản nitrate hóa (khử nitrate thành N2) Khử sunfate, khử nitrate
Nhờ hoạt động của một số vi khuẩn Thiobacillus denitrificans, vi khuẩn lưu
huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi khuẩn hiếu khí khác quá trình sunfate hóa được thực hiện. Ngược lại, quá trình khử
sunfate cũng xảy ra bởi các vi khuẩn kỵ khí có trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desulfovibrio desunfuricans). Ngoài ra còn thấy loài Clostridium nigrificans và loài Pseudomonas Zelinskii cũng có khả năng khử sunfate. Trong
điều kiện tự nhiên nhiều loài vi khuẩn như Acinetobacter và nấm có khảnăng phân
giải và giải phóng phosphor trong xương động vật ở dạng rắn Ca3(PO4)2 sang dạng
hoà tan. Theo con đường thủy phân trong điều kiện hiếu khí các vi khuẩn
Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces và các loài nấm bậc cao chuyển hoá nhanh tinh bột thành đường và các loại đường này một phần bị phân hủy thành CO2 và nhiều sản phẩm khác nhau, một phần được chuyển hoá trong quá trình trao đổi chất. Trong điều kiện kỵ khí, tinh bột bị phân hủy bởi Clostridium. Trong điều kiện hiếu khí Sporocytophaga là loài có khả năng phân hủy xenlulose mạnh nhất. Xenlulose bị phân hủy bởi các men ngoại bào thành các sản phẩm trung gian và
đường. Trong bùn lắng quá trình lên men kỵ khí chủ yếu bởi Clostridium phân hủy xenlulose thành etanol, acid focmic, acid axetic, acid lactic, H2 và CO2. Trong tự
nhiên, còn xảy ra quá trình tự làm sạch nước nhờ các sinh vật sử dụng các chất bẩn
trong nước làm nguồn thức ăn. Về mặt sinh học tham gia vào quá trình tự làm sạch
môi trường có rất nhiều loài sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật, nhuyễn thể …và vi sinh vật với mức độ khác nhau, nhưng đóng vai trò quyết định là các vi sinh vật. Quan hệ cạnh tranh đã có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Quan hệ “mồi thú” đã làm cho sốlượng vi sinh vật trong nước thải thay đổi. Ngoài hai mối quan hệtrên trong nước thải, có nhiều loài vi sinh vật đã sống cộng sinh với nhau có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Kết quả của các quan hệnày đã làm
ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân hủy chất bẩn của các vi sinh vật (Lê Xuân Phương, 2001).
2.6.2 Sinh trưởng lơ lửng - Bùn hoạt tính trong xử lý nước thải
Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, đã được duy trì và phát triển đến ngày nay, với phạm vi ứng dụng rộng
rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Công nghệ bùn hoạt tính
hay bể hiếu khí (Aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí. Vi sinh vật trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh
sản, phát triển, mật độ tế bào tăng lên trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí. Nước
thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng. Các tế bào vi khuẩn sẽ dính
vào nhau và dính vào các hạt lơ lửng trong nước thải, phát triển thành các hạt bông
cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng chỉ số
BOD5. Các hạt bông cặn khi được khuấy đảo, thổi khí sẽ dần dần lớn lên do kết dính
Những hoạt động này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt, bông cặn sẽ lắng xuống đáy hồ tạo thành bùn hoạt tính (Nguyễn Văn Phước, 2007).