SINH HỌC HIẾU KHÍ
5.1. Khái niệm
Thực chất của phương pháp sinh hĩa để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khống khác làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào cũng như sinh trưởng và sinh sản và do vậy nên sinh khối được tăng lên và hệ quả là nước thải được làm sạch.
5.2. Nguyên lý chung của quá trình xử lý sinh học
Để thực hiện quá trình ơxy hĩa sinh hĩa các chất hữu cơ hịa tan, các chất keo, các chất phân tán nhỏ trong nước thải là tổ hợp các quá trình gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Các chất gây ơ nhiễm (các chất hữu cơ hịa tan, các chất phân tán nhỏ,…) được dịch chuyển từ mơi trường nước thải xung quanh đến bề mặt tế bào vi sinh vật do quá trình khuếch tán đối lưu và phân tử.
- Giai đoạn 2: Dịch chuyển các chất bẩn từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm của tế bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngời tế bào.
- Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hĩa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thu năng lượng.
Ba giai đoạn trên cĩ quan hệ rất chặt chẽ với nhau và giai đoạn chuyển hĩa các chất diễn ra trong tế bào vi sinh vật đĩng vai trị chính trong việc làm sạch nước thải.
Các phản ứng của quá trình ơxy hĩa sinh hĩa ở điều kiện hiếu khí
- Ơxy hĩa các chất hữu cơ
2 2 2 3 3 3 4 3 4 2 vsv x y z y z y C H O N +x+ + + O →xCO + − H O NH+ + ∆H ÷ - Tổng hợp để xây dựng tế bào 3 2 5 7 2 2 vsv x y z C H O N NH+ +O →C H NO +CO + ∆H
C H O Nx y z : tất cả các chất hữu cơ của nước thải.
C H NO5 7 2: cơng thức hĩa học của tế bào vi sinh vật ở thời điểm bình thường (cĩ hơ hấp nội bào).
∆H : năng lượng
Nếu quá trình ơxy hĩa diễn ra đủ dài thì sau khi sử dụng hết các chất hữu cơ cĩ sẵn trong nước thải, sẽ bắt đầu diễn ra quá trình chuyển hĩa các chất của tế bào bằng việc ơxy hĩa các chất liệu của tế bào.
5 7 2 5 2 vsv 5 2 3 2 2
C H NO + O → CO +NH + H O+ ∆H
3 2 2 2 3
vsv vsv
NH +O →HNO +O →HNO
Sơ đồ chuyển hĩa các chất hữu cơ trong nước thải khi ơxy hĩa sinh hĩa hiếu khí.
1 - Chất bẩn trước khi xử lý,
2 - Chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào,
3 - Các chất bẩn cịn lại trong nước thải sau khi xử lý, 4 - Các chất bẩn bị oxy hĩa trực tiếp thành CO2, H2O và sinh năng lượng,
5 - Các chất bị đồng hĩa được tổng hợp để tăng sinh khối,
6 - Tự oxy hĩa của vi sinh vật thành CO2 và H2O do men hơ hấp nội bào,
7 - Phần dư của vi sinh vật.
Nguyên tắc các phương pháp xử lý hiếu khí:
Phương pháp hiếu khí dùng để loại các chất hữu cơ dễ bị vi sinh phân huỷ ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các loại vi sinh hiếu khí oxy hố bằng oxy hịa tan trong nước.
Vi sinh
Chất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + năng lượng Vi sinh
Chất hữu cơ + O2 → Tế bào mới Năng lượng
Tế bào mới + O2 → CO2 + H2O + NH3 Tổng cộng:
Chất hữu cơ + O2 → H2O + CO2 + NH3…
Trong phương pháp hiếu khí ammoni cũng được loại bỏ bằng oxy hố nhờ vi sinh tự dưỡng (quá trình nhật hố)
Nitrosomonas
2NH4 + 3O2 → 2NO2− + 4H+ + 2H2O + Năng lượng Nitrobacter
2NO2− + O2 → 2NO3−
Vi Sinh
Tổng cộng: NH4 + 2O2 → NO3 + 2H+ + H2O + Năng lượng
Điều kiện cần thiết cho quá trình: pH = 5,5 - 9,0, nhiệt độ 5 - 40oC.
3 1 2 6 7 5 4 Hình 5.1.Sơ đồ chuyển hĩa các chất bẩn hữu cơ khi oxy hĩa sinh hĩa nước
5.3. Sự phát triển của vi sinh vật
Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học cĩ hiệu quả chúng ta phải nắm vững các kiến thức sinh học cĩ liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu vì nĩ chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí khơng bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ cịn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrat hĩa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngồi ra cịn cĩ cácloại hình sợi như
Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngồi các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đĩng vai trị quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.
Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn cĩ sẵn trong nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi khuẩn. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định cĩ thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đĩ cho thêm vào bể mới như là một hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với mơi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong mơi trường.
Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi.
Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đĩ mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này cĩ thể do các lồi cĩ kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của mơi trường.
Hình 5.2: Đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý
Cũng cần nĩ thêm rằng đồ thị trên chỉ mơ tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý cĩ nhiều quần thể khác nhau và cĩ đồ thị tăng trưởng giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị. Trong một giai đoạn bất kỳ nào đĩ sẽ cĩ một lồi cĩ số lượng chủ đạo do ở thời điểm đĩ các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho lồi đĩ. Sự biến động về các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới. Khi thiết kế và vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, khơng nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.
Hình 5.3: Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật
trong bể xử lý nước thải
Như đã nĩi ở trên vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước thải. Do đĩ trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ơ nhiễm đưa vào bể. Điều này cĩ thể thực hiện thơng qua quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính tốn chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn cĩ thể sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá
trình tăng trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn...) phải được điều chỉnh ở mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.
5.4. Động học của quá trình xử lý sinh hĩa
Để đảm bảo cho quá trình sinh hĩa diễn ra cĩ hiệu quả, phải tạo ra được điều kiện mơi trường như pH, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng,…tốt nhất cho hệ vi sinh vật. Khi các điều kiện trên được đảm bảo thì quá trình xử lý sinh học diễn ra theo các giai đoạn sau:
5.4.1. Tăng trưởng tế bào
Ở cả hai trường hợp nuơi cấy theo mẻ hay nuơi cấy trong bể phản ứng dịng chảy liên tục. Nước thải trong các bể này phải được khuấy trộn một cách hồn chỉnh và liên tục và tốc độ tăng trưởng của các tế bào vi sinh vật cĩ thể được biểu diễn bằng các cơng thức sau: ax. . . m s N P S N P S K N K P K µ µ= + + +
Trong trường hợp tổng quát:
( 0 ) ax. . . . , , ,... m s N P S N P f t pH DO S K N K P K µ µ= + + + S: chất nền (BOD), mg/l; P: photpho vơ cơ, mg/l; N: Nitơ vơ cơ, mg/l.
C