3.3.1 Phƣơng pháp hiếu khí
Quá trình phân hủy hiếu khí dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí. Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải cĩ chứa các chất hữu cơ thì chúng sẽ dần dần phát triển. Vận tốc phát triển của chúng tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy hịa tan trong nước. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy khơng đủ sẽ tạo ra mơi trường kỵ khí. Như vậy trong quá trình phân hủy hiếu khí thì vận tốc trao đổi của vi sinh vật phải luơn thấp hơn vận tốc hịa tan của oxy trong nước khi nồng độ chất dinh dưỡng trở thành yếu tố giới hạn. Thực vật phù du cùng với các sinh vật tự dưỡng khác sử dụng CO2 và khống chất để tổng hợp các chất hữu cơ làm tăng sinh khối và làm giàu oxy trong nước thải. Oxy cần cĩ trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật, vì vậy mà chất hữu cơ trong nước giảm dần.
Trong hoạt động sống của vi sinh vật, thực vật phù du và động vật nguyên sinh… sẽ làm tiêu hao chất dinh dưỡng, chất khống và kể cả kim loại độc hại. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong hồ sinh học dựa trên quan hệ cộâng sinh của vi sinh vật.
Trong hồ sinh học được chia làm 3 phần: phần hiếu khí là phần tiếp giáp với mặt thống xuống sâu vài chục centimet, phần tiếp theo là phần kỵ khí tùy nghi và phần cuối cùng là khu vực kỵ khí.
Ở phần hiếu khí, oxy luơn cĩ khuynh hướng khuếch tán vào nước, dưới tác dụng của giĩ gĩp phần làm tăng khả năng hịa trộn oxy vào nước. Ở vùng này vào ban ngày, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tảo và các vi sinh vật tự dưỡng sử dụng CO2 và các chất vơ cơ khác tổng hợp vật chất cho tế bào phục vụ cho quá trình sinh trưởng, đồng thời thải oxy vào nước. Các sinh vật hiếu khí đặc biệt là vi khuẩn hiếu khí, chúng sẽ sử dụng oxy này để phân giải chất hữu cơ cĩ trong nước.
Ở vùng này các sinh vật nitrat hĩa sẽ oxy hĩa hợp chất amơn thành nitrit rồi thành nitrat trong điều kiện hiếu khí. Các vi sinh vật Pseudomonas Denitritficans, Bacillus
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
licheniformis, Thiobaccillus denitritfocans sẽ khử nitrat thành N2 và thải vào khơng khí. Điều kiện chung cho vi khuẩn nitrat hĩa là pH = 5,5 - 9 nhưng tốt nhất là 7,5. Khi pH < 7 thì vi khuẩn phát triển chậm, oxy hịa tan cần là 0,5mg/l, nhiệt độ phát triển từ 5 - 400C.
Các hoạt động của vi sinh vật hiếu khí thải ra mơi trường CO2, nguồn CO2 cung cấp cho hoạt động của tảo và thực vật phù du khác phát triển.
Quá trình phân hủy hiếu khí diễn ra mạnh mẽ nếu dùng các biện pháp tác động vào như: sục khí, làm tăng lượng hoạt động của vi sinh vật bằng cách tăng bùn hoạt tính, điều chỉnh hàm lượng chất dinh dưỡng và ức chế các chất độc làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật làm sạch nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh, hiếu khí ưa ấm. Vì vậy mà nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của vi sinh vật, nhiệt độ thích hợp cho quá trình xử lý là 20 - 400C, tối ưu là 25 - 300
C.
Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Oxy hĩa chất hữu cơ CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H
Giai đoạn 2: Tổng hợp xây dựng tế bào
CxHyOz + O2 tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H
Giai đoạn 3: Oxy hĩa chất liệu tế bào
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
3.3.2 Phƣơng pháp kỵ khí
Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra trong điều kiện khơng cĩ oxy nhờ sự hoạt động của hệ vi sinh vật sống thích nghi ở điều kiện kỵ khí. Các sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí là axit hữu cơ, các ancol cuối cùng là NH3, H2S và chủ yếu là CH4, vì vậy mà quá trình này cịn gọi là quá trình lên men kỵ khí sinh mêtan hay lên men mêtan.
Quá trình phân hủy kị khí gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn thủy phân:
Dưới tác dụng của enzim thủy phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ sẽ bị thủy phân thành đường đơn giản, protein bị thủy phân thành albomoz, pepton, peptic, axit amin, chất béo thủy phân thành glyxerin và axit béo.
Giai đoạn tạo khí:
Sản phẩm thủy phân này tiếp tục phân hủy tạo thành khí CO2, CH4 ngồi ra cịn cĩ một số khí khác như: H2, N2, H2S và một ít muối khống.
Các hydratcacbon bị phân hủy sớm nhất và nhanh nhất, hầu hết chuyển thành CO2, CH4. Các hợp chất hữu cơ hịa tan bị phân hủy gần như hồn tồn (axit béo tự do hầu như phân hủy gần 80-90%, axit béo loại este phân hủy gần 65-68%). Riêng hợp chất chứa lignin là chất khĩ phân hủy nhất, chúng là nguồn tạo ra mùn.
Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ ở điều kiện kị khí, sản phẩm cuối cùng chủ yếu là CH4 chiếm 60 -75%. Quá trình lên men mêtan gồm 2 pha điển hình: pha axit và pha kiềm.
Ở pha axit, hydratcacbon (xenlulozơ, tinh bột, các loại đường…) dễ bị phân hủy tạo thành axit hữu cơ cĩ phân tử lượng thấp (axit propionic, butyric, axetic…). Một phần chất béo cũng chuyển thành axit hữu cơ. Đặc trưng của pha này là tạo thành axit, pH
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
của mơi trường cĩ thể thấp hơn 5 và xuất hiện mùi hơi. Cuối pha, axit hữu cơ và các chất tan cĩ chứa nitơ tiếp tục phân hủy thành những hợp chất amơn, amin, muối của axit cacbonic và tạo thành một số khí như CO2, N2, CH4, H2, H2S, indol, mecaptan gây mùi khĩ chịu, lúc này pH của mơi trường bắt đầu tăng chuyển sang trung tính và sang kiềm.
Ở pha kiềm, đây là pha tạo thành khí CH4. Các sản phẩm thủy phân của pha axit làm cơ chất cho quá trình lên men mêtan và tạo thành CH4, CO2. pH của pha này chuyển hồn tồn sang mơi trường kiềm.
Quá trình thủy phân các chất hữu cơ trong mơi trường kỵ khí là quá trình phức tạp với sự tham gia của nhiều vi sinh vật kị khí. Nhiệt độ phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí là 10 -150C, 20 - 400C và trên 400C. thời gian lên men kéo dài trong khoảng 10 - 15 ngày, nếu ở nhiệt độ thấp thì quá trình lên men kéo dài hàng tháng.
3.4 Các quá trình sinh học chủ yếu dùng trong xử lý nƣớc thải
3.4.1 Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính
Vi sinh vật sau khi tiếp xúc với nước thải sẽ bắt đầu sinh trưởng và phát triển. Trong nước thải bao giờ cũng cĩ những hạt chất rắn lơ lửng khĩ lắng, các chất này sẽ là nơi dính bám của vi khuẩn và phát triển thành những bơng cặn cĩ hoạt tính phân hủy chất hữu cơ trong nước. Các hạt bơng này nếu được thổi khí và khuấy đảo thì chúng sẽ lơ lửng trong nước và lớn lên dần do quá trình hấp thụ nhiều chất lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật, chất độc cĩ trong nước. Khi ngừng thổi khí hay nguồn chất dinh dưỡng trong nước cạn kiệt thì những bơng cặn này sẽ lắng xuống đáy tạo thành bùn, bùn này được gọi là bùn hoạt tính.
Bùn hoạt tính là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn kết lại tạo thành bơng với nhân trung tâm là chất lơ lửng cĩ trong nước. Bơng này cĩ màu nâu kích thước từ 2 -150m. Bơng này gồm cĩ vi sinh vật sống và cặn (chiếm khoảng 20 - 40% thành phần cấu tạo bơng, nếu trong mơi trường hiếu khí và khuấy trộn đều thi
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
hàm lượng cặn chỉ cịn 20%). Vi sinh vật ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngồi ra cịn nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh…
Các chất keo dinh trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp thụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, chất màu, mùi trong nước thải làm cho hạt bùn lớn dần và đồng thời lượng bùn cũng tăng dần rồi từ từ lắng xuống đáy (bùn hoạt tính khi lắng xuống tạo thành bùn già và hoạt tính trở nên giảm, tuy nhiên nếu được hoạt hĩa trong mơi trường thích hợp thì chúng cĩ thể khơi phục trở lại). Kết quả nước sáng màu, giảm lượng ơ nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn, nước thải được làm sạch.
Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bơng của bùn. Bơng tạo ra ở giai đoạn trao đổi chất cĩ tỷ lệ chất dinh dưỡng và sinh khối của vi sinh vật thấp dần. Tỷ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn đến giảm dần năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn, nếu động năng nhỏ thì tác động đối kháng cũng nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn lẫn nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra dịch là nguyên nhân kết dính tế bào vi khuẩn với nhau.
Trong bùn hoạt tính ta cịn thấy xuất hiện động vật nguyên sinh, chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, điều chỉnh lồi và quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luơn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già và đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm bùn xốp, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ và làm kết lắng bùn nhanh.
Để phát huy vai trị của bùn hoạt tính, ta phải chú ý đến hàm lượng oxy hịa tan trong nươc, nồng độ và tuổi bùn, chất độc trong nước, nhiệt độ nước thải và pH, chất dinh dưỡng trong nước. Khi cân bằng dinh dưỡng ta cĩ thể sử dụng Urê, NH4OH, muối amon làm nguồn cung cấp N, muối phothat, supephotphat làm nguồn cung cấp P. Trong trường hợp BOD trong nước nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ N trong muối
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
amơn là 15mg/l và P (theo P2O5) là 2mg/l. Nếu 500 < BOD <1000 mg/l thì chọn thơng số tương ứng là 25 và 8mg/l.
Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng hợp chất rất thích hợp cho tế bào vi sinh vật hấp thụ và đồng hĩa. Nguồn N (dạng NH4+) và P (dạng photphat) là những chất dinh dưỡng tốt nhất cho vi sinh vật. Ngồi ra, nếu thiếu các nguyên tố dinh dưỡng như nguyên tố K, Mg, S, Fe, Zn, Ca… sẽ kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Nếu thiếu N sẽ kìm hãm sự sinh trưởng của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxy hĩa – khử trong tế bào vi sinh vật, nếu lâu dài làm cho vi sinh vật khơng sinh sản, khơng tăng sinh khối, gây cản trở cho quá trình sinh hĩa làm bùn khĩ lắng. Thiếu P làm xuất hiện vi khuẩn dạng sợi giảm hiệu quả lắng, quá trình oxy hĩa chất hữu cơ của bùn hoạt tính giảm.
Các vi sinh vật trong bùn chủ yếu là 4 lớp protozoa: Sacrodina, Mastgophora, Ciliata, Suctoria hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sacrodina.
3.4.2 Sinh trưởng bám dính – màng sinh học
Trong bể sinh học thường sử dụng những vật rắn làm giá đỡ, các vi sinh vật sẽ dính bám trên bề mặt giá đỡ. Trong số các vi sinh vật, cĩ một số sinh vật cĩ khả năng tạo ra polysacrit, chất này cĩ tính dẻo hay cịn gọi là polyme sinh học, chất này tạo thành màng sinh học. Màng này ngày càng dày thêm, thực chất đây là sinh khối của vi sinh vật dính bám trên các giá đỡ. Màng này cĩ khả năng oxy hĩa chất hữu cơ cĩ trong nước thải khi cho nước thải chảy qua hay tiếp xúc với màng, ngồi ra màng cịn cĩ tác dụng hấp thụ các chất bẩn và trứng giun sán…
Màng sinh học là tập hợp những vi sinh vật khác nhau, cĩ hoạt tính oxy hĩa chất hữu cơ trong nước khi chúng tiếp xúc với màng. Màng này thường dày từ 1 – 2mm và cĩ thể dày hơn nữa. Màu của màng cĩ thể thay đổi, tùy theo thành phần của nước thải mà màu biến đổi từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong qui trình xử lý, nước thải
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
chảy qua phin lọc sinh học và cuốn theo các mảnh vỡ của màng với kích thước từ 15 – 20 m cĩ màu vàng xám hay màu nâu.
Các phin lọc dùng trong xử lý nước thải thường sử dụng bằng vật liệu cát hay sỏi, được sắp xếp như sau: ở dưới cùng là lớp sỏi cuội cĩ kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên là cát hạt to rồi đến hạt nhỏ. Chiều dày của lớp cát thường từ 7 – 10cm, trên bề mặt những hạt cát, sỏi, đá, than, gỗ … giữa chúng sẽ tạo thành một màng nhầy, lớp màng này lớn dần lên và chúng được gọi là màng sinh học. Màng này được tạo ra từ hàng triệu tế bào vi khuẩn và cả động vật nguyên sinh. Khác với quần thể sinh vật trong bùn hoạt tính, vi sinh vật trong màng lọc sinh học tương đối đồng nhất về thành phần lồi và số lượng sinh vật.
Khi nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của vi sinh vật sẽ làm thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ cĩ trong nước, các chất hữu cơ dễ phân giải sẽ được vi sinh vật phân giải trước với tốc độ nhanh, đồng thời số lượng quần thể vi sinh vật cũng phát triển nhanh. Chất hữu cơ khĩ phân hủy sẽ được phân giải sau với tốc độ chậm hơn.
Màng lọc sinh học thực chất là một hệ nhiều lồi vi sinh vật, ngồi vi sinh vật hiếu khí cịn cĩ vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kị khí. Ở lớp ngồi cùng màng là lớp hiếu khí, lớp này chủ yếu là trực khuẩn Bacillus sống. Lớp trung gian là lớp vi khuẩn tùy nghi như: Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus, Microccus. Lớp sâu bên trong là vi sinh vật kị khí như vi khuẩn khử lưu huỳnh và khử nitrat. Phần dưới cùng của màng là quần thể vi sinh vật với sự cĩ mặt của nguyên sinh động vật và một số vi sinh vật khác. Các lồi này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng vi sinh để làm thức ăn dẫn đến việc tạo ra những lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu làm chất màng. Quần thể vi sinh vật của màng cĩ tác dụng như bùn hoạt tính.
Phần phía trên của màng lọc sinh học là nơi dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới cùng là ít nhất. Các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận lượng oxy nên chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của quá trình biến đổi kị khí
CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG NGÀNG CƠNG NGHIỆP THỦY SẢN
là alcol, axit hữu cơ…. Các chất này chưa kịp khuếch tán đã bị vi sinh vật khác hấp thụ vì vậy mà khơng ảnh hưởng lớn đến màng lọc. Với đặc điểm như vậy mà màng lọc cĩ thể oxy hĩa chất hữu cơ, màng này dày lên làm bịt kín các khe hở, nước qua màng lọc chậm dần từ đĩ phin lọc làm việc cĩ hiệu quả hơn. Nếu lớp màng quá dày thì ta cĩ thể dùng nước rửa để loại bỏ màng và phin chảy nhanh hơn, tuy nhiên hiệu quả lọc giảm dần nhưng chúng sẽ khơi phục trở lại.
Nước đưa vào xử lý cần phải lọc sơ bộ để loại bỏ các tạp chất lớn. Hiệu quả của phin