Cơ sở của phƣơng pháp xử lý sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nƣớc thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dƣỡng và năng lƣợng. Trong quá trình sinh trƣởng, vi sinh vật nhận các chất dinh dƣỡng để xây dựng tế bào và phát triển nên sinh khối của chúng đƣợc tăng lên, sinh khối này dễ dàng loại ra khỏi môi trƣờng nƣớc thải, khi tách phân ly bùn hoạt tính. Nƣớc thải xử lý bằng phƣơng pháp sinh học đƣợc đặc trƣng bởi tỷ số BOD5/COD ≥ 0,5. Có thể phân loại các phƣơng pháp sinh học dựa trên cơ sở khác nhau, song có thể chia chúng thành hai loại chính:
- Phƣơng pháp hiếu khí: Phƣơng pháp sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, cần
cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 oC - 40oC.
- Phƣơng pháp yếm khí: Phƣơng pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí [11].
1.4.1. Phƣơng pháp yếm khí
1.4.1.1. Nguyên tắc chung xử lý yếm khí
Xử lý sinh học yếm khí là q trình xử lý khơng có oxy, sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men là cồn, các axit, axeton, H2, CH4, và CO2. Phƣơng pháp xử lý dựa trên q trình lên men khí metan, gồm 2 pha:
- Pha axit: vi khuẩn tạo axit (vi khuẩn tùy tiện, vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng các
chất hữu cơ rắn, sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp thành các axit bậc thấp nhƣ axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton, dihydrosunfua, CO2, H2.
- Pha kiềm: vi khuẩn yếm khí chuyển hóa các sản phẩm trung gian thành CH4
Phản ứng chính tạo thành metan diễn ra nhƣ sau:
CO2 + 4H2A CH4 + 4A + H2O (trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro)
Cũng có thể xảy ra theo các phản ứng khác khi có và khơng có hydro:
CO +H2CH4 +H2O hoặc 4CO + 2H2O CH4 + 2H2O
Trong nƣớc thải chứa SO42-, trong điều kiện yếm khí, vi khuẩn khử sunfat sẽ
khử SO42-thành H2S nhƣ sau:5AH2 + SO42-5A + H2S + 4H2O
Ngồi ra cịn có q trình nitrat hóa:6H2A + 2NO3- 6A + 6H2O + N2
1.4.1.2. Q trình cơng nghệ xử lý yếm khí
Gồm 3 giai đoạn:
- Giai đoạn lỏng hóa nguyên liệu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinh dƣỡng;
- Giai đoạn tạo thành axit:
- Giai đoạn tạo thành metan
Bùn thô nạp vào bể theo phƣơng thức gián đoạn vào vùng phân hủy mạnh và
nƣớc phần trên đƣợc rút ra đi xử lý tiếp.
Bùn đã phân hủy tích tụ ở đáy bể đƣợc rút ra một cách dễ dàng. Sản phẩm
khí của q trình đƣợc tích giữ ở két khí là nắp nổi của bể.
1.4.1.3. Các yếu tố chính ảnh hƣởng tới hiệu suất cơng nghệ xử lý yếm khí
Nhiệt độ: ảnh hƣởng tới cƣờng độ của quá trình. Nhiệt độ tối ƣu cho quá trình là 35oC, quá trình thực hiện ở điều kiện từ 30oC – 55oC, khi nhiệt độ dƣới
10oC, vi khuẩn hầu nhƣ không hoạt động.
Liều lƣợng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Ngun liệu nạp cho q trình cần có hàm lƣợng chất rắn bằng 7 – 9%. Tác dụng của khuấy trộn để phân bố đều dinh dƣỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng sản phẩm ra hỏi hỗn hợp lỏng – rắn.
pH: pH tối ƣu cho quá trình dao động từ 6,5 – 7,5. Do lƣợng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trƣớc khi quan sát thấy pH thay đổi, nên nếu pH giảm thì ngừng nạp nguyên liệu, do nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lƣợng axit tăng lên sẽ gấy chết vi khuẩn tạo CH4.
Ngoài ra, cần lƣu ý đến ảnh hƣởng của dòng vi khuẩn và thời gian lƣu cần đủ để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và trong nguồn thải không chứa các chất độc nhƣ kim loại nặng Cu, Ni, Zn,…
1.4.2. Phƣơng pháp xử lý sinh học hiếu khí 1.4.2.1. Nguyên tắc xử lý hiếu khí 1.4.2.1. Nguyên tắc xử lý hiếu khí
Trong các bể xử lý sinh học theo phƣơng pháp xử lý sinh học hiếu khí, các vi sinh vật và q trình oxy hóa sinh hóa của chúng đóng vai trị quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan, các chất keo, và phân tán nhỏ trong nƣớc thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ đƣợc các vi khuẩn hiếu khí sử dụng để lấy năng lƣợng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới, nên để đảm bảo cho hoạt động sống của chúng
cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 – 30oC.
Tác nhân tham gia vào quá trình phân hủy các chất bẩn hữu có là vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm và một số sinh vật bậc thấp.
1.4.2.2. Quy trình cơng nghệ xử lý hiếu khí
Q trình phân huỷ hiếu khí hay chu kỳ sinh trƣởng của các vi khuẩn trong bể xử lý nƣớc thải gồm 3 giai đoạn chủ yếu sau:
- Giai đoạn 1: Vận chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế
bào vi sinh vật do khuếch tán đối lƣu vào phân tử.
- Giai đoạn 2: Nhờ tác động của enzyme ngoại bảo của vi sinh vật các chất ô
nhiễm đƣợc phân cắt, khuếch tán vào bên trong màng thế bào do sự chênh lệch nồng độ các chất trong và ngoài tế bào.
- Giai đoạn 3: Q trình chuyển hố các chất ở trong tế bàovi sinh vật đã sản
sinh ra năng lƣợng và tổng hợp nên các chất mới của tế bào, giúp cho các tế bào sinh trƣởng và nhân lên.
Các phản ứng hóa học diễn ra trong nguyên sinh chất của tế bào vi sinh vật:
𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧𝑁𝑡 + 𝑥 +𝑦 4− 𝑧 2− 3𝑡 4 𝑂2 𝑉𝑆𝑉 𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦 − 3𝑡 2 𝐻2𝑂 + 𝑡𝑁𝐻3 + ∆𝐻
Hợp chất hữu cơ có chứa nitơ nhƣ protein sẽ oxy hóa thành các hợp chất hữu
cơ chứa nitơ và giải phóng NH3 hay NH4+, là nguồn dinh dƣỡng đƣợc vi sinh vật sử
dụng trực tiếp cho xây dựng tế bào. Một lƣợng nhỏNH3đƣợc vi khuẩn Nitrozononas
chuyển thành nitrit (NO2-) và vi khuẩn Nitrobacterchuyển từ nitrit thành nitrat
(NO3-):
NH3 + CO2+ O2 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑧𝑜𝑛𝑜𝑛𝑎𝑠 Tế bào VSV + NO2-
NH3 + CO2+ O2 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑜𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟 Tế bào VSV + NO3-
- Tổng hợp xây dựng tế bào: 𝐶𝑥𝐻𝑦𝑂𝑧𝑁𝑡 + 𝑡𝑁𝐻3 + 𝑥 +𝑦 4− 𝑧 2− 43𝑡 4 𝑂2 𝑉𝑆𝑉 2𝑡𝐶5𝐻7𝑁𝑂2 + (𝑥 − 10𝑡)𝐶𝑂2 + 𝑦 − 11𝑡 2 𝐻2𝑂 + ∆𝐻
Tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lƣợng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lƣợng thức ăn trong môi trƣờng.
- Tự phân huỷ chất liệu tế bào:
C5H7NO2 + 5O2 VSV 5CO2 + 2H2O + NH3 + ATP
Khi mơi trƣờng khơng cịn đủ dinh dƣỡng, vi khuẩn chết đi nhiều hơn số
lƣợng vi khuẩn đƣợc sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh.
1.4.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới q trình xử lý hiếu khí
Nhiệt độ: Trong khoảng nhiệt độ tối ƣu, tốc độ phản ứng oxy hóa tăng khi
nhiệt độ tăng, nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 20oC – 30oC. Khi nhiệt độ tăng quá
ngƣỡng có thể làm vi khuẩn chết đi (có thể khắc phục bằng các chủng chịu nhiệt), ngồi ra nhiệt độ tăng gây giảm độ hòa tan oxy trong nƣớc (khắc phục bằng cách sục khí). Khi nhiệt độ quá thấp, tốc độ xử lý giảm và q trình thích nghi của vi sinh vật với mơi trƣờng chậm lại.
Khuấy trộn: Việc khuấy trộn làm tăng sự phân chia bơng bìn hoạt tính thành các hạt nhỏ hơn, tăng tốc độ hấp phụ các chất dinh dƣỡng và oxy lên các vi sinh vật, do đó làm tăng tốc độ xử lý.
Kim loại nặng: Nồng độ kim loại nặng quá ngƣỡng cho phép gây giảm tốc độ xử lý.
Hấp thụ và nhu cầu oxy: Để oxy hóa các chất hữu cơ, các vi sinh vật cần có oxy và nó chỉ có thể sử dụng oxy hòa tan.
Các yếu tố dinh dƣỡng và vi lƣợng: để tạo môi trƣờng cho các vi sinh vật có thể hoạt động tốt. Khi thiếu nito lâu dài gây cản trở q trình sinh hóa các chất bẩn hữu cơ và bùn hoạt tính khó lắng. Khi thiếu photpho dẫn đến sự phát triển vủa vi khuẩn dạng sợi, gây bùn hoạt tính bị phồng, khó lắng và bị cuốn ra khỏi hệ thống xử lý, làm giảm sinh trƣởng của bùn hoạt tính và giảm cƣờng độ q trình oxy hóa,...
pH: pH tối ƣu cho q trình xử lý từ 6,5 đến 8,5.