Muối khoáng Nhu cầu cần thiết (mg/l)
Vi khuẩn Nấm và xạ khuẩn K2HPO4 0.2 0.5 1 2 KH2PO4 0.2 0.5 1 2 MgSO4.7H2O 0.1 0.2 0.2 0.5 MnSO4.4H2O 0.005 0.01 0.02 0.1 FeSO4.7H2O 0.005 0.01 0.005 0.02 ZnSO4.7H2O 0.001 0.005 0.02 0.1 CoCl2 < 0.03 < 0.06 CaCl2 0.01 0.03 0.02 0.1 CaSO4.5H2O 0.001 0.005 0.01 0.05
Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật như pepton, nước thịt, giá đậu,.... thì khơng cần bổ sung các nguyên tố khoáng. Nhưng nếu sử dụng môi trường tổng hợp (nguyên liệu là hố chất) thì phải bổ sung các ngun tố khoáng.
1.5.4. Ảnh hƣởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật trong nƣớc
Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo nhiều kiểu. Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần lồi của các quần thể, đến hình thái và sinh lý của vi sinh vật. Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm lượng muối, các chất hữu cơ, các chất vơ cơ, các khí hồ tan.
1.5.4.1. Hàm lượng oxy hồ tan
DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinh vật trong nước.
Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxi hố các chất bẩn hữu cơ. Do đó, trong q trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxi mà chủ yếu dưới dạng hồ tan trong mơi trường lỏng. Để đáp ứng được lượng oxi hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơ học hoặc sục khí.
Khi nồng độ oxy hồ tan dưới 0,5mg/l thì q trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ. Lượng oxy hoà tan tốt nhất trong khoảng 1,54,0 mg/l [16, 19].
Khuấy trộn hoặc sục khí làm tăng sự tiếp xúc giữa bùn hoạt tính và các chất thải trong nước, làm cho khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật tăng lên.
1.5.4.2. Nhiệt độ
Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxy trong nước giảm. Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6400C. Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hố của các enzym. Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, cịn nhiệt độ q thấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, q trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường mới sẽ chậm lại [16, 19, 30].
1.5.4.3. Độ pH
Đây là thơng số ảnh hưởng rất lớn đến các q trình sinh học xảy ra trong nước (quá trình trao đổi chất,43 quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật, động thực vật trong nước). pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phản ứng hố học xảy ra trong mơi trường nước. Đối với đa số vi sinh vật, thường sinh trưởng và phát
triển ở pH 6,0 8,5. Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảm hoạt lực của bùn hoạt tính, do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý [30].
Việc đo pH là rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hố học, sinh học. Thông số pH được xác định bằng máy đo pH.
1.5.4.4. Thành phần các chất trong nƣớc
Thành phần nước thải có vai trị quyết định tới sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Mỗi loài sinh vật chỉ sinh trưởng và phát triển trong một dải nồng độ thức ăn nhất định, nếu lớn hơn dải nồng độ đó sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của chúng. Mỗi một lồi sinh vật có thể sử dụng một số thức ăn nhất định, chúng sẽ đồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hố sau. Thành phần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:
Nhu cầu oxy sinh hóa BOD
BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3- [37]. Phương trình tổng quát như sau:
𝐶ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑂2 𝑣𝑖 𝑘ℎ𝑢ẩ𝑛 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑡ế 𝑏à𝑜 𝑚ớ𝑖 + 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 𝑐ố đị𝑛ℎ 𝐶ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑂2 𝑣𝑖 𝑘ℎ𝑢ẩ𝑛 𝑁𝑂3− + 𝐻2𝑂 + 𝑡ế 𝑏à𝑜 𝑚ớ𝑖 + 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 𝑐ố đị𝑛ℎ
Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn.
Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷ hồn tồn chất hữu cơ vì tốn q nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác định lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5. Tại thời điểm này đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá [16, 19, 37].
Nhu cầu oxy hoá hoá học COD
COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho q trình oxy hố hố học các chất hữu cơ trong mẫu nước thải thành CO2 và H2O. Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ có thể và khơng thể bị oxy hố bằng vi sinh vật, do đó, nó có giá trị cao hơn BOD. Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đã khắc phục được nhược điểm của phép đo BOD [37, 39].
Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quan nhất định. Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụng phép đo COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải.
Hàm lượng nitơ
Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứa nitơ trong cơ thể vi sinh vật. Để tiến hành q trình đồng hố được các hợp chất chứa nitơ có trong mơi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzym ngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác [31]. Chính vì thế mà trong mơi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do.
Xác định hàm lượng nitơ trong mơi trường để ta có khái niệm về khả năng sử dụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước. Khi thiếu nitơ lâu dài, ngồi việc cản trở q trình sinh hố, các chất hữu cơ cịn tạo ra bùn hoạt tính khó lắng [18].
Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương pháp Kjendahl, còn N – NH3, N – NO2- bằng phương pháp so màu.
Hàm lượng photpho
Trong môi trường nước, photpho tồn tại ở dạng: H2PO4-, HPO42-, PO43-, dạng polyphophat Na(PO3)6 và photpho hữu cơ.
Photpho là nguyên tố rất quan trọng, có mặt trong thành phần của ATP, ADP, AMP, photpholipit... [19]
Thông số photpho giúp ta đánh giá mức độ dinh dưỡng có trong nước. Thiếu photpho sẽ dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, làm bùn hoạt tính trương lên, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý do đó làm giảm nồng độ của bùn hoạt tính trong bể xử lý. Để khắc phục điều này người ta đề xuất một tỷ lệ các chất dinh dưỡng cho xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau BOD : N : P = 100 : 5 : 1 (đối với 3 ngày đầu) cịn đối với thời gian xử lý dài hơn thì tỷ lệ trên là 200 : 5 : 1 [7, 18].
Hàm lượng sunphat
Sunphat sắt ln có mặt trong nước bị ô nhiễm và trong nước thải. Lưu huỳnh có mặt trong một số aminoaxit cấu tạo nên protein (cystein và methionin). Lưu huỳnh sẽ được chuyển hố theo phương trình sau trong điều kiện kị khí nhờ vi khuẩn:
𝐶ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑆𝑂42− 𝑆2− + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 𝑆2− + 2 𝐻+ 𝐻2𝑆
Sự có mặt của lưu huỳnh dạng H2Strong nước làm cho nước có mùi thối.
Hàm lượng các kim loại nặng
Khi trong nước chứa các kim loại nặng như: chì (Pb), thuỷ ngân (Hg), Crom (Cr), Cadimi (Cd), Asen (As) thì ngồi việc gây hại cho con người, động thực vật sử dụng nguồn nước, các kim loại nặng này cịn có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của các vi sinh vật trong nước.
Các kim loại nặng ở hàm lượng nhất định nào đó có thể làm cho quá trình trao đổi chất của cơ thể vi sinh vật bị rối loạn do sự kìm hãm hoạt động của các enzym khi có mặt một số kim loại. Tuy nhiên đối với một vài kim loại nặng ở dạng vết thì lại có tác dụng tốt nhất định đối với sự phát triển sinh vật.
1.6. Hiện trạng hệ thống xử lý nƣớc thải của Công ty Giấy Bãi Bằng
Công ty giấy Bãi Bằng - Tổng Công ty Giấy Việt Nam được xây dựng từ những năm 70 của thế kỷ trước, chính thức đi vào hoạt động từ năm 1982, đây là cơng trình viện trợ khơng hồn lại của Chính phủ Thụy Điển với thiết kế chủ yếu để sản xuất bột giấy và giấy dùng cho nhu cầu trong nước. Nước thải phát sinh từ các công đoạn sản xuất với lưu lượng trung bình khoảng 26.000 m3/ngày đêm được thu gom bằng hệ thống cống rãnh ngầm, đưa về HTXLNT tập trung, sau đó được thải ra Sơng Hồng.
Trong những năm qua, Tổng công ty đã áp dụng nhiều các biện pháp để khép kín nguồn thải, giảm thiểu lượng nước thải và tải lượng các chất ô nhiễm môi trường. Tổng công ty đã đầu tư 6 tỷ đồng để hoàn thiện hệ thống thu gom nước thải: khép kín tồn bộ nước thải có chứa chất ơ nhiễm vào cống ngầm để đưa về HTXLNT tập trung. Trong đầu tư giai đoạn I (năm 2003), Tổng công ty đã đầu tư 149 tỷ đồng để hồn thiện HTXLNT, với cơng nghệ xử lý nước thải hiện đại, được sử dụng phổ biến cho ngành sản xuất bột giấy và giấy thế giới. thiết bị công nghệ được công ty PURAC Thụy Điển cung cấp. Nước thải được xử lý theo phương pháp: cơ, lý, hóa học kết hợp xử lý vi sinh bùn hoạt tính. Sơ đồ khối HTXLNT của Công ty Giấy Bãi Bằng được mô tả trên Hình 1.5.
Xử lý sơ cấp (bằng phương pháp cơ, lý, hoá học)
Nước thải ơ nhiễm của tồn bộ các phân xưởng sản xuất được thu gom bằng hệ thống cống ngầm và đưa về hệ thống xử lý nước thải tập chung.
Nước thải chảy qua sàng chắn rác, tại đây các rác có kính thước lớn sẽ bị giữ lại và được loại bỏ. Nước thải chảy vào bộ phận phối trộn hoá chất (NaOH hoặc H2SO4 để đưa pH về trung tính và phèn nhơm làm tác nhân bông kết), sau đó chảy ra bể khuấy trộn và chảy sang bể lắng sơ cấp. Tại đây, các chất rắn lơ lửng được bông kết lại rồi lắng xuống đáy bể. Nước thải sau bể lắng sơ cấp chảy sang hệ thống xử lý sinh học; bùn lắng được bơm nhúng chìm bơm tới thiết bị tách nước và thải ra sân chứa. Bùn sơ cấp chủ yếu là xơ sợi được bán cho một số cơ sở sản xuất bìa Cactong.
Xử lý sinh học
Quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp vi sinh bùn hoạt tính dựa trên nguyên tắc dùng các vi sinh vật hiếu khí để phân huỷ các chất bẩn (thường là chất hữu cơ) có trong nước thải và tạo thành sinh khối của chúng (bùn sinh học). Phần lớn lượng bùn sinh học này được quay vòng lại hệ thống làm tác nhân xử lý nước thải, chỉ còn một lượng bùn dư nhỏ được loại bỏ.
Nước thải chảy từ bể lắng sơ cấp vào bể điều hòa để cân bằng lưu lượng, nồng độ trước khi đưa lên tháp làm mát. Từ bể điều hòa (bể cân bằng) nước thải được bơm lên tháp làm mát để điều chỉnh nhiệt độ (nhiệt độ yêu cầu từ 350C đến 370C).
Nước sau khi làm mát được bơm sang bể lựa chọn, đây là nơi để lựa chọn các chủng vi sinh vật phù hợp với đặc tính nước thải cần xử lý. Tại đây sẽ cung cấp chất dinh dưỡng cho vi sinh vật và sục khí để cung cấp ơxy hồ tan, tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí phát triển.
Sau đó nước thải được đưa sang bể sục khí, tại đây các vi sinh vật phân huỷ các chất bẩn và phát triển sinh khối của chúng. Từ bể phản ứng nước thải chảy sang bể dập
khí để phá tan các bọt khí cịn nằm trong các đám bùn sinh học làm tăng khả năng lắng của bùn.
Cuối cùng nước thải được đưa sang bể lắng thứ cấp để lắng trong và chảy sang trạm bơm để bơm thải ra sông Hồng. Bùn lắng phần lớn được bơm quay lại bể lựa chọn, phần cịn dư được bơm đến kho chứa bùn, sau đó được bơm đi tách nước bằng máy ép bùn và thải đi.
Tuy nhiên, hiện nay HTXLNT của cơng ty cịn tiếp nhận thêm các nguồn thải của một số nhà máy lân cận (như nhà máy sản xuất giấy vàng mã, nhà máy sản xuất giấy tái chế, nhà máy sản xuất giấy bao bì, nhà máy gia cơng vở). Chính vì vậy, nhiều nguồn thải với các đặc tính khác nhau, đã tác động làm ảnh hưởng không nhỏ đến sự ổn định và hiệu quả xử lý vi sinh của HTXLNT, khó khăn để thích ứng với sự thay đổi đột ngột nước thải đầu vào, gây nên hiện tượng vi sinh vật trong HTXLNT bị “sốc” và làm giảm khả năng hoạt động của chúng. Hiện tại, chỉ số thể tích bùn trong HTXLNT cịn khá thấp, điều đó chứng tỏ tuổi của bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý chưa đủ, đó cũng là nguyên nhân làm giảm khả năng phân hủy các chất hữu cơ hịa tan gây ơ nhiễm.
Xuất phát từ những cơ sở khoa học nêu trên, với mục đích nghiên cứu nâng cao tính ổn định và hiệu quả xử lý của các bể hiếu khí đối với HTXLNT của Cơng ty Giấy Bãi Bằng, tôi đã được lựa chọn để thực hiện luận văn này. Đề tài “Nâng cao hiệu quả
xử lý của các bể hiếu khí bằng cách điều chỉnh dinh dưỡng thích hợp cho vi khuẩn đối với hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Giấy Bãi Bằng” đã được thực hiện trong luận văn này.
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Nước thải sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nước thải lấy tại bể cân bằng sau bể xử lý keo tụ tạo bông (xử lý sơ cấp) của hệ thống xử lý nước thải của Công ty giấy Giấy Bãi Bằng – Thị trấn Phong Châu – Huyện Phù Ninh – Tỉnh Phú Thọ.
2.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Luận văn này tập trung vào “nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý của các bể hiếu
khí bằng cách điều chỉnh dinh dưỡng thích hợp cho vi khuẩn đối với hệ thống xử lý nước thải của nhà máy Giấy Bãi Bằng” sau khi đã qua xử lý hóa lý (keo tụ tạo bơng,
điều chỉnh pH, nhiệt độ) cụ thể là nghiên cứu các thống số dinh dưỡng để vận hành thích hợp hệ thống xử lý vi sinh thay thế dinh dưỡng N, P truyền thống, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí hóa chất xử lý.
Nội dung nghiên cứu trong luận văn tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng như hàm lượng amoni, photphat, hàm lượng các nguyên tố vi lượng, chỉ số thể tích bùn, đánh giá hiệu quả xử lý khác nhau khi bổ sung các nguyên tố vi lượng và không bổ sung các nguyên tố vi lượng.
Ảnh hưởng các nguyên tố vi lượng tới hiệu quả xử lý COD trong quá trình xử lý nước thải giấy bằng phương pháp vi sinh hiếu khí cũng là một mục tiêu quan tâm của luận văn này. Đây cũng là cơ sở để nâng cao hiệu suất xử lý COD của hệ thống xử lý nước thải hiện tại. Những kết quả nghiên cứu là cơ sở để thiết kế, tính tốn bổ sung hàm lượng các nguyên tố vi lượng vi lượng thay vì bổ sung chất dinh dưỡng (ure và