Hoạt động sống của vi khuẩn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ mơi trường, khi nhiệt độ tăng thì hoạt động của vi khuẩn tăng lên, khi nhiệt độ giảm thì hoạt động của chúng cũng giảm xuống. Hầu hết các vi sinh vật trong nước là các thể ưa ấm. Chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 40oC, tối thiểu là 5oC. Vì vậy, nhiệt độ xử lí nước thải chỉ trong khoảng 6 – 37oC, tốt nhất là 25 – 37oC. Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến chuyển hoá của vi sinh vật mà còn ảnh hưởng nhiều tới quá trình hoà tan oxy vào nước, cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính.
4.4.7 Nồng độ các chất lơ lửng ở dạng huyền phù
Nếu nồng độ các chất lơ lửng không quá 100mg/l thì xử lí bằng bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150mg/l là xử lí bằng bể
vi sinh hiếu khí sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm
bẩn là cao nhất. Tuy nhiên, với các bể vi sinh hiếu khí tích cực, nồng độ các chất rắn lơ lửng có thể là cao hơn.
Song, lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lí. Vì vậy đối với những nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng quá cao cần phải qua lắng 1 trong giai đoạn xử lí sơ bộ một cách đầy đủ để có thể loại bỏ vẩy cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng.
4.5 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG
NƯỚC THẢI TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra cĩ hiệu quả thì phải tạo được các điều kiện mơi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời gian… tốt nhất cho hệ sinh vật. Khi các điều kiện trên được đảm bảo thì quá trình xử lý diễn ra như sau:
Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ hay trong các bể cĩ dịng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hồn chỉnh và liên tục. Tốc độ tăng trưởng của tế bào vi sinh cĩ thể biểu diễn bằng cơng thức sau:
rt = μX (4.1)
Trong đĩ:
rt: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (khối lượng/đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian, g/m3.s)
μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/thời gian = 1/s)
X: nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính (g/m3 = mg/l)
4.5.1 Chất nền – Giới hạn của tăng trưởng
Trong trường hợp xử lý nước thải theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng chỉ cĩ với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp xử lý trong bể cĩ dịng cấp chất nền và chất dinh dưỡng liên tục thì ảnh hưởng của việc giảm bớt dần chất nền và chất dinh dưỡng cĩ thể biểu diễn bằng phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949) S K S s max . (4.2) Trong đĩ:
μ: tốc độ tăng trưởng riêng (1/s)
μmax: tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (1/s)
S: nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế
Ks: hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l) Thay giá trị μ ở phương trình (4.2) vào phương trình (4.1) ta cĩ:
S K S X t s r max. . (4.3)
4.5.2 Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền
Trong cả hai trường hợp xử lý nước thải theo mẻ và xử lý trong bể cĩ dịng chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần được oxy hố thành chất vơ cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên cĩ thể thiết lập quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình sau:
rt = -Yrd (4.4)
Trong đĩ:
rt: tốc độ tăng trưởng của tế bào (g/m3.s)
Y: hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (là tỉ số giữa khối lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất định ở giai đoạn tăng trưởng logarit)
rd: tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.s) Từ phương trình (4.4) và (4.3) ta rút ra được: S K S X K S K Y S X d s s r . . ) ( . . max (4.5) (K Ymax )
4.5.3 Ảnh hưởng của hơ hấp nội bào
Trong các cơng trình xử lý nước thải, các tế bào sinh vật ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Khi tính tốn tốc độ tăng trưởng của tế bào phải tính tốn tổ hợp các hiện tượng này, để tính tốn giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỉ lệ với nồng độ vi sinh vật cĩ trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng này là do phân huỷ nội bào. Qúa trình hơ hấp nội bào cĩ thể biểu diễn đơn giản bằng phản ứng sau:
C5H7O2N + 5O2 5 CO2 + 2H2O + NH3 + Năng lượng (4.6)
rd = -KdX (4.7)
Trong đĩ:
Vi khuẩn Tế bào
Kd: hệ số phân huỷ nội bào (1/s)
X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3)
Kết hợp với quá trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế bào là: rt’ = K XSS Kd X s. . . max (4.8) Hay rt’ = Yrd – KdX (4.9) Trong đĩ:
Rt’: tốc độ tăng gtrưởng thực của vi khuẩn (1/s) Tốc độ tăng trưởng riêng thực là:
μ’ = K S d S K s. max (4.10)
Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) sẽ là:
d t r r b y , (4.11)
4.5.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ của nước cĩ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải, ngồi ra cịn ảnh hưởng quá trình hấp thụ khí oxy vào nước thải và quá trình lắng các bơng cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hố trong quá trình xử lý nước thải được biểu diễn bằng cơng thức: rT = r20θ(T – 20) (4.12) Trong đĩ: rt: tốc độ phản ứng ở ToC r20: tốc độ phản ứng ở 20oC θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ T: nhiệt độ nước đo bằng oC
Trong quá trình xử lý sinh học thì θ = 1,02 ÷1,09, thường lấy θ = 1,04
4.6.1 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện tự nhiên trong điều kiện tự nhiên
4.6.1.1 Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính tốn để đạt được một mức xử lý nào đĩ thơng qua quá trình lý, hố và sinh học tự nhiên của hệ đất – nước – thực vật của hệ thống.
Việc xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và bãi lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước ở trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hoạt động phân hủy các hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lượng oxy hóa càng ít và quá trình oxy hóa các chất hữu cơ giảm xuống dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrate. Đã xác định được quá trình oxy hóa nước thải chỉ diễn ra ở lớp đất mặt sâu tới 1.5m. Vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có mực nước ngầm thấp hơn 1.5m so với mặt đất.
Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng. Tùy vào từng chức năng mà cánh đồng được sử dụng cho phù hợp.
Các loại nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới và bãi lọc cần phải được xử lý sơ bộ: qua song chắn rác để loại bỏ các vật khô cứng, qua bể lắng cát loại bỏ một phần các hợp chất rắn và chất kim loại nặng, loại bỏ dầu mỡ và một phần các chất huyền phù tránh cho các lớp đất mặt bị bịt kín làm giảm sự thoáng khí và ảnh hưởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật.
Trong phương pháp này có gặp rất nhiều khó khăn khi xây dựng như: diện tích tưới cố định phải lớn và nhu cầu tưới đều đặn trong năm.
Sau khi lắng ở bể lắng đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng, ở đĩ diễn ra quá trình oxy hố sinh hố các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở đây, quá trình oxy hố sinh hố chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại sinh vật, vi sinh vật, chủ yếu là các vi sinh vật đất. Những quần thể sinh vật đất cũng bao gồm: vi khuẩn, nấm, vi tảo và các lồi nguyên sinh động vật. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải.
- Vi khuẩn: trong cánh đồng lọc cĩ chứa 2 loại vi khuẩn: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào, lượng vi khuẩn từ nước thải đưa vào bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Hai nhĩm vi khuẩn này đồng thời cĩ quan hệ đối kháng và cộng sinh. Cấu trúc đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định đến sự hình thành uần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải.
Những quá trình oxy hố sinh hố diễn ra chủ yếu ở lớp đất trên cùng với chiều dày khoảng 40 cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “màng sinh vật”, chúng thực hiện quá trình oxy hố sinh hố. Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn, mỗi mét vuơng diện tích đất cĩ tổng diện tích hấp phụ là 5 ha. Số vi khuẩn ở màng sinh vật là rất lớn: với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40 cm thì tổng diện tích hấp phụ của tế bào vi khuẩn là 48.000 m2. Vì vậy tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1 cm/giờ.
- Nấm: đa số là loại hiếu khí, vì nấm khơng cĩ khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, xenluloza, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrate, đơi khi cả peptone, acid amin
- Tảo: chủ yếu là tảo lam và tảo lục. Lượng tảo cũng rất nhiều khoảng 100.000 – 3.000.000/cm3 đất. Vai trị của tảo là tạo ra oxi nên sự phát triển của tảo trong đất là rất cần thiết đặc biệt là đối với đất kém thống khí.
- Nguyên sinh động vật: cĩ vai trị tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn già, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác phát triển và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ cĩ hoạt tính sinh hố mạnh hơn, do đĩ quá trình oxi
hố sinh hố được tăng cường. Ngồi ra các nguyên sinh động vật cịn giúp cho lớp đất lọc được tơi xốp.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời cĩ thể đạt được 3 mục tiêu: - Xử lý nước thải.
- Tái sử dụng các chất dinh dưỡng cĩ trong nước thải để sản xuất. - Nạp lại nước cho các túi nước ngầm.
So với các hệ thống khác thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc chỉ cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hồn lưu nước thải và bùn… Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí nên việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn.
Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng cĩ nhiều hạn chế như: cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc nhiều vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu.
Tuỳ theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại:
- Cánh đồng lọc chậm.
- Cánh đồng lọc nhanh
- Cánh đồng lọc chảy tràn 4.6.1.2 Hồ sinh học hiếu khí
Ao hồ hiếu khí là loại ao hồ nông 0.3 – 0.5m có quá trình oxi hóa các chất bẩn hữu cơ nhờ vào các vi sinh vật hiếu khí. Loại ao hồ này gồm có hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
Vi sinh vật trong hồ sinh học chủ yếu là vi khuẩn và tảo, ngồi ra cịn cĩ Protozoa,
giả túc Rotifers.
- Vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, vi khuẩn
Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn tiết ra.
- Tảo: sự phát triển tuỳ thuộc vào các loại chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng.
cao. Những loại tảo nhỏ địi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chu đạo hơn. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng khơng
đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellata hoạt tính.
Hồ hiếu khí tự nhiên : oxy từ không khí dễ dàng khuếch tán vào lớp nước phía trên và ánh sáng mặt trời chiếu rọi, làm cho tảo phát triển, tiến hành quang hợp thải oxy. Để đảm bảo ánh sáng qua nước, chiều sâu của hồ phải nhỏ thường là 30 – 40cm. Do vậy diện tích của hồ càng lớn càng tốt. Tải trọng của hồ (BOD) khoảng 250 – 300kg/ha.ngày, thời gian lưu nước từ 3 – 12 ngày. Do ao nông, diện tích lớn nên đảm bảo điều kiện hiếu khí cho toàn bộ nước trong ao. Nước lưu trong ao tương đối dài. Hiệu quả làm sạch có thể tới 80 – 95% BOD, màu nước có thể chuyển dần sang màu xanh của tảo.
Hồ sục khuấy: nguồn cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí trong nước hoạt động là các thiết bị khuấy cơ học hoặc khí nén. Nhờ vậy, mức độ hiếu khí trong hồ sẽ mạnh hơn, điều độ và độ sâu của hồ cũng nhỏ hơn tải trọng BOD của hồ khoảng 400kg/ha.ngày. Thời gian lưu nước trong hồ khoảng 1 – 3 ngày có khi dài hơn.
4.6.2 Các cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí trong điều kiện nhân tạo trong điều kiện nhân tạo
4.6.2.1 Bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo trong đó nước thải được lọc qua vật liệu rắn có bao bọc một lớp màng vi sinh vật.
Vi sinh vật trong bể lọc sinh học
- Vi khuẩn: gồm các vi khuẩn hiếu khí, tuỳ tiện và yếm khí. Ở mặt ngồi của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí, dễ nhận thấy là loại trực khuẩn tạo nha
Bacillus. Ở lớp yếm khí trung gian của màng chủ yếu là vi khuẩn yếm khí Desulfovibrio. Phần lớn vi khuẩn trong bể lọc là lồi tuỳ tiện gồm nhiều loại như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococus.
- Nấm: là loại hiếu khí nên chỉ sống ở vùng cĩ oxi hồ tan, ở nước thải cĩ pH thấp thì nấm và một số vi khuẩn chỉ thị phát triển mạnh.
- Tảo: khơng phát triển được nhiều mà chủ yếu chỉ tồn tại ở lớp bề mặt của bể lọc mà thơi.
- Động vật nguyên sinh: ở các lớp vật liệu phía trên cĩ các loại bền vững chịu
được trạng thái oxi như: Paramecium, Putrium, P. caudatum, Colpidium colpada…
Bể lọc sinh học gồm các phần chính như sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước đảm bảo tưới đều lên toàn bộ bề mặt bể, hệ thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống phân phối khí cho bể lọc.
Quá trình oxy hoá chất thải trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi sinh vật chết theo nước trôi khỏi