CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp màng sinh học
1.3.1 Khái niệm về màng sinh học
Màng sinh học là tập hợp các lồi vi sinh vật có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước thải khi tiếp xúc với màng. Màng dày từ 0,01 – 0,3 mm hoặc có thể dày hơn [2], [22].
1.3.2 Đặc điểm màng sinh học
Trong số các vi sinh vật phát triển trên lớp màng sinh học sẽ có những lồi sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polime sinh học) tạo thành màng (màng sinh học). Màng sinh học được dày lên dần do sinh khối hay vi sinh vật bám dính trên các chất mang.
Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán…
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, song cũng có các lồi vi khuẩn kị khí và tùy tiện. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loại trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là các vi
khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Microcosus.
Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulofovibuo. Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các chất hữu cơ dễ bị phân hủy có trong nước thải.
Màng sinh học được dùng trong các phin lọc sinh học hiếu khí hoặc đĩa quay sinh học.
1.3.2.1 Bể lọc sinh học (biofilter)
Ở đây vi sinh vật được sinh trưởng gắn kết trên các vật liệu lọc tạo thành màng lọc. Các hạt vật liệu gắn kết vi sinh vật được nạp trên cột lọc tạo thành pha tĩnh. Cịn nước thải và khơng khí được đưa vào dưới dạng pha động [20], [22], [27], [31].
Các hạt vật liệu này thường là các hạt đá, sỏi hoặc là các hạt chất dẻo, có diện tích bề mặt, độ xốp lớn để vi sinh vật có thể gắn kết lên.
* Nguyên lý của quá trình:
Khi các tạp chất hữu cơ có trong nước thải đi qua cột, chúng sẽ tiếp xúc với lớp màng sinh học và sẽ bị hấp phụ vào màng sinh học (dày khoảng 0,1 – 0,2 mm), tại đây chúng sẽ bị phân hủy sinh học hiếu khí. Do đó lớp màng sinh học sẽ ngày càng dày lên, càng đi sâu vào phía trong của màng sinh học oxi càng giảm đi nên phía sát bề mặt vật liệu lọc trở thành mơi trường kị khí. Khi lớp màng sinh học dày lên thì lớp ngồi có thể sẽ bị rửa trơi theo dịng nước,
Như vậy, trong quá trình xử lý ngồi nước đã xử lý đi ra cịn có thể kéo theo các bùn sinh học (bùn hoạt tính) nên cần lọc qua một bể lọc thứ cấp để tách loại các loại tạp chất kéo theo này.
Phương pháp lọc sinh học được chia thành nhiều loại:
- Lọc sinh học có lớp vật liệu khơng ngập trong nước (lọc nhỏ giọt). - Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước.
-Lọc sinh học với lớp vật liệu là các hạt cố định.
1.3.2.2 Đĩa quay sinh học
Hệ thống này gồm một loạt đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảng nhỏ. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong máng chứa nước thải, phần còn lại tiếp xúc với khơng khí. Các vi sinh vật bám trên các đĩa quay tạo thành màng sinh học.
Khi đĩa quay đã tạo cho màng sinh học có khả năng thay đổi liên tục trạng thái tiếp xúc: tiếp xúc với các hợp chất hữu cơ, vô cơ khi chuyển động trong nước thải và sau đó lại tiếp xúc với oxi khơng khí khi ra khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ motơ hoặc sức gió. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với khơng khí, vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ phân hủy nhanh.
1.3.3 Quá trình tạo màng sinh học
Hệ thống xử lý nước thải bằng màng sinh học dựa trên quá trình oxi hóa của các vi sinh vật có trong nước thải có khả năng chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thành thức ăn của chúng. Để thực hiện việc trên cần tạo môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển, trên thực tế người ta dùng các vật liệu như: than, đá, nhựa, xốp… Các vật liệu này có tác dụng như các giá đỡ giúp các vi sinh vật bám vào và tạo ra lớp màng trên vật liệu lọc. Ngoài ra, các vật liệu này cịn có tác dụng lọc cơ học. Người ta tạo màng vi sinh vật trên vật liệu bằng cách lấy phần nước thải có hàm lượng vi sinh lớn rồi sau đó
tưới lên vật liệu. Quá trình này được diễn ra liên tục, sau một thời gian nhất định (khoảng 18 đến 24 giờ) các vi sinh vật sẽ phát triển và bám vào vật liệu tạo thành màng lọc sinh học. Khoảng 72 giờ thì màng vi sinh vật có độ dày nhất định [20], [22].
1.3.4 Cơ chế xử lý qua màng
Oxi và thức ăn được khuếch tán qua màng sinh học đến khi các tế bào phía sâu bên trong không tiếp xúc được với oxi và thức ăn trực tiếp được nữa. Sau một thời gian nhất định sẽ có sự phân tầng các lớp: lớp ngồi cùng tiếp xúc trực tiếp với oxi là lớp hiếu khí, lớp ở giữa tiếp xúc ít với oxi là lớp thiếu khí (anoxic), lớp trong cùng khơng có khả năng tiếp xúc với oxi hịa tan là lớp kị khí. Lớp kị khí phân hủy các hợp chất hữu cơ thành H2S và amoni, các axit hữu cơ, những sản phẩm này lại được lớp hiếu khí phân hủy thành HNO3, H2SO4, CO2 và H2O. Khi chất nền (cơ chất) khơng khuếch tán nữa thì các vi sinh vật bị chết, tự tiêu đi và bong ra theo dòng thủy lực, để lại khoảng trống mới để vi sinh vật thâm nhập và phát triển [4]. Trong quá trình sinh trưởng này, lớp màng vi sinh vật cũng hấp phụ các chất rắn, do đó nước thải cũng được làm sạch và giảm độ đục. Nếu nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải thấp thì các vi sinh vật này có thể phân hủy NO3-, PO43- [23], [25], [27], [31].