2.2.1. Khỏi niệm về xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học
Trong nhiều biện phỏp xử lý nước thải, thỡ biện phỏp sinh học được quan tõm nhiều nhất cũng cho hiệu quả cao nhất. So với biện phỏp vật lý, húa học biện phỏp sinh học chiếm vai trũ quan trọng về quy mụ cũng như giỏ thành đầu tư, do chi phớ cho một đơn vị khối lượng chất khử là ớt nhất. Đặc biệt xử lý nước thải bằng phương phỏp sinh học sẽ khụng gõy ụ nhiễm và tỏi ụ nhiễm mụi trường - một nhược điểm của biện phỏp húa học hay mắc phải.
Biện phỏp sinh học là sử dụng đặc điểm rất quý của vi sinh vật, đặc điểm này đó thu hỳt và thuyết phục được cỏc nhà khoa học và cỏc nhà đầu tư, nhà sản xuất là khả năng đồng húa được nhiều nguồn cơ chất khỏc nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả cỏc nguồn dầu mỏ và dẫn xuất của nú đến cỏc hợp chất cao phõn tử như priotein, lipid, cỏc kim loại nặng như: chỡ, thuỷ ngõn, asen….
Thực chất của phương phỏp sinh học là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng cỏc hợp chất hữu cơ và một số chất khoỏng cú trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi cỏc hợp chất hữu cơ cao phõn tử trong nước thải thành cỏc hợp chất đơn giản hơn. Trong quỏ trỡnh dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được cỏc chất làm nguyờn liệu để xõy dựng cơ thể, do vậy sinh khối vi sinh vật tăng lờn.
Biện phỏp sinh học cú thể làm sạch hoàn toàn cỏc loại nước thải cụng nghiệp chứa cỏc loại chất bẩn hũa tan hoặc phõn tỏn nhỏ. Do vậy biện phỏp này thường dựng sau khi loại bỏ cỏc tạp chất phõn tỏn thụ ra khỏi nước thải. Đối với nước thải chứa cỏc
tạp chất vụ cơ thỡ biện phỏp này dựng để khử cỏc muối sulfate, muối ammoium, muối nitrat, tức là những chất chưa bị oxy húa hoàn toàn.
2.2.2. Điều kiện để xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học
Xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học cú nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rói hiện nay. Tuy nhiờn việc ỏp dụng biện phỏp này cần đũi hỏi những điều kiện nhất định sau: Thành phần cỏc hợp chất hữu cơ trong nước thải phải là những chất dễ bị ụxy húa, nồng độ cỏc chất độc hại, cỏc kim loại nặng phải nằm trong giới hạn cho phộp. Chớnh vỡ vậy khi xử lý nước thải cần điều chỉnh nồng độ cỏc chất này sao cho phự hợp.
Ngoài ra, cỏc điều kiện mụi trường như lượng O2, pH, nhiệt độ của nước thải….cũng phải nằm trong giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phỏt triển bỡnh thường của cỏc vi sinh vật tham gia trong quỏ trỡnh xử lý nước thải (bảng 2.2).
Bảng 2.2: Nồng độ giới hạn cho phộp của cỏc chất trong nước thải để xử lý theo
biện phỏp sinh học
Tờn chất C cp* Tờn chất C cp* Tờn chất C cp*
Acid ac rylic 100 Caprolactan 100 Nickel (ion) 1
Rượu amylic 3 Rezorcin 100 Sản phẩm của dầu 100
Aniline 100 Amon rodanua 500 Pyridine 400
Acetaldehyde 750 Chỡ (ion) 1 Triethylamine 85
Acid benzoic 150 Acid stearic 300 Trinitrotoluene 12 Benzene 100 Sulfur (theo H2S) 20 Triphenylphosphate 10
Vanadium (ion) 5 Lactonitryl 160 Phenol 1000
Vinyl acetate 250 Mỡ bụi trơn 100 Formaldehyde 160
Vinilinden chlorua 1000 Acid butyric 500 Chlobenzene 10
Hydroquinol 15 Đồng (ion) 0,4 Toluene 200
Acid dichloacetic 100 Metacrylamide 300 Sulphanole 10 Dichlocyclohexane 12 Rượu metylic 200 Antimon (ion) 0,2
Diethylamine 100 Acid monochloacetic 100 Crezol 100
Diethyleneglycol 300 Arsen (ion) 0,2 Tributylphosphate 100
Ghi chỳ: C cp* Là nồng giớihạn cho phộp của cỏc chất (g/m3 nước thải).
2.2.3. Khu hệ vi sinh vật trong nước thải
Mỗi loại nước thải cú hệ vi sinh vật đặc trưng. Nước thải sinh hoạt do chứa nhiều chất hữu cơ giàu dinh dưỡng dễ phõn giải, thỡ chứa nhiều vi khuẩn. Thụng thường chứa từ vài triệu đến vài chục triệu tế bào/ml.
- Vi khuẩn gõy thối: Pseudomonas fluorecens, P. aeruginosa, Proteus vulgaris, Bac. cereus, Bac. subtilis, Enterobacter cloacae….
- Đại diện cho nhúm vi khuẩn phõn giải đường, Cellulose, urea: Bac. cellosae, Bac. mesentericus, Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga. sp….
- Cỏc vi khuẩn gõy bệnh đường ruột: Nhúm Coliform, là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ụ nhiễm phõn trong nước ở mức độ cao, cú thể giao động từ vài chục nghỡn đến vài trăm nghỡn tế bào/ml nước thải.
Trong nước thải hữu cơ, vi sinh vật hỡnh ống giữ vai trũ quan trọng, phải kể đến vi khuẩn Sphaerptilus natans, thường hay bị nhầm với nấm nước thải, nú phủ lờn bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường tạo thành cỏc sợi hoặc cỏc bỳi, khi bị vỡ ra sẽ trụi nổi đầy trờn mặt nước. nhúm này thường phỏt triển mạnh ở nước nhiều oxygen. Ngoài ra, vi khuẩn Sphaerptilus natans thường thấy ở cỏc nhà mỏy thải ra nhiều cellulo và nhà mỏy chế biến thực phẩm. Bờn cạnh vi khuẩn, người ta cũn gặp nhiều loại nấm, nhất là nấm men Saccharomyces, Candida, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum…. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ngoài ra cũn cú vi khuẩn oxy húa lưu huỳnh như: Thiobacllus, Thiothrix, Beggiatoa, vi khuẩn fản nitrỏt húa: Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans.
Trong nước thải chứa dầu người ta tỡm thấy vi khuẩn phõn giải hydrocarbon:
Pseudomonas, Nocardia….
Trong nước thải cũn cú tập đoàn khỏ phong phỳ đú là tảo, chỳng thuộc tảo silớc:
Bacillariophyta, tảo lục: , Chlorophyta, tảo giỏp: Pyrrophyta.
2.2.4. Thành phần và cấu trỳc cỏc loại vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
Yếu tố quan trọng nhất của biện phỏp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng bựn hoạt tớnh (activated sludge) hoặc màng vi sinh vật.
Bựn hoạt tớnh hoặc màng vi sinh vật là tập hợp cỏc loại vi sinh vật khỏc nhau. Bựn hoạt tớnh là bụng màu vàng nõu dễ lắng, cú kớch thước 3 - 5μm. Những bụng này bao gồm cỏc vi sinh vật sống và cơ chất rắn (40 %). Những vi sinh vật sống bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số nguyờn sinh động vật, dũi, giun….
Màng sinh vật phỏt triển ở bề mặt cỏc hạt vật liệu lọc cú dạng nhầy dày từ 1 - 3 mm hoặc lớn hơn. Màu của nú thay đổi theo thành phần của nước thải, từ vàng sỏng đến nõu tối. Màng sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và nguyờn sinh động vật khỏc. Trong quỏ trỡnh xử lý, nước thải sau khi qua bể lọc sinh vật cú mang theo cỏc hạt của màng sinh vật với cỏc hỡnh dạng khỏc nhau, kớch thước từ 1,5 - 3 μm cú màu vàng xỏm và nõu.
Muốn đưa bựn hoạt tớnh vào cỏc thiết bị xử lý, cần thực hiện một quỏ trỡnh gọi là “khởi động” tức là quỏ trỡnh làm cho loại bựn gốc ban đầu (thường kộm về khả năng lắng và hoạt tớnh) được nuụi dưỡng để trở thành loại bựn cú hoạt tớnh cao và cú tớnh kết dớnh tốt. Cú thể gọi đú là quỏ trỡnh “hoạt húa” bựn hoạt tớnh. Cuối thời kỳ “khởi động” bựn sẽ cú dạng hạt. Cỏc hạt này cú độ bền cơ học khỏc nhau, cú mức độ vỡ ra khỏc nhau khi chịu tỏc động khuấy trộn. Sự tạo hạt của bựn ở dạng này hay dạng khỏc phụ thuộc vào tớnh chất và nồng độ của bựn gốc, chất lượng mụi trường cho thờm vào
để hoạt húa bựn, phương thức hoạt húa và cuối cựng là thành phần cỏc chất cú trong nước thải.
Loại bựn gốc tốt nhất lấy từ bựn ở cỏc thiết bị xử lý nước thải đang hoạt động. Nếu khụng cú loại này thỡ cú thể lấy loại bựn chưa thớch nghi như bựn lấy từ cỏc bể xử lý theo kiểu tự hoại, bựn cống rónh, kờnh rạch ụ nhiễm nhiều, bựn phõn lợn, phõn bũ đó phõn huỷ…Cỏc vi sinh vật chứa trong bựn này nghốo về số lượng, nhưng đa dạng về chủng loại.
2.2.5. Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện tự nhiờn
Cơ sở khoa học của biện phỏp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nước dưới tỏc động của cỏc tỏc nhõn sinh học (vi sinh vật) cú trong tự nhiờn, nghĩa là thụng qua hoạt động tổng hợp của cỏc tỏc nhõn từ động vật, thực vật đến vi sinh vật để làm biến đổi nguồn nước thải bị nhiễm bẩn bởi cỏc hợp chất hữu cơ và vụ cơ. Từ đú tiến tới giảm được cỏc chỉ số COD và BOD của nước thải xuống tới mức cho phộp khiến cỏc nguồn nước này cú thể sử dụng để tưới cho cõy trồng hay dựng để nuụi cỏc loại thuỷ sản.
Biện phỏp xử lý này thường ỏp dụng đối với cỏc loại nước thải cụng nghiệp cú độ nhiễm bẩn khụng cao hoặc nước thải sinh hoạt.
Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng cỏc cỏnh đồng tưới, bói lọc hoặc hồ sinh học. Diễn biến của quỏ trỡnh xử lý như sau:
Cho nước thải chảy qua khu ruộng đang canh tỏc hoặc những cỏnh đồng khụng canh tỏc được ngăn bờ tạo thành những ụ thửa, hay cho chảy vào cỏc ao hồ cú sẵn. Nước thải ở trong cỏc thuỷ vực này sẽ thấm qua cỏc lớp đất bề mặt, cặn sẽ được giữ lại ở đỏy ruộng hay đỏy hồ, ao. Trong quỏ trỡnh tồn lưu nước ở đõy, dưới tỏc dụng của cỏc vi sinh vật cựng cỏc loại tảo sẽ xảy ra quỏ trỡnh oxy húa sinh học, chuyển húa cỏc hợp chất hữu cơ phức tạp thành cỏc chất đơn giản hơn, thậm chớ cú thể được khoỏng húa hoàn toàn. Như vậy, sự cú mặt của ụxy khụng khớ trong cỏc mao quản của đất hoặc ụxy được thải ra do hoạt động quang hợp của tảo và thực vật sẽ là yếu tố quan trọng cần cho quỏ trỡnh ụxy húa nguồn nước thải. Càng xuống lớp đất ở dưới sõu lượng ụxy càng ớt, vỡ vậy ảnh hưởng xấu đến quỏ trỡnh ụxy húa làm cho quỏ trỡnh này giảm dần. Đến độ sõu nhất định, thỡ chỉ cũn nhúm vi sinh vật yếm khớ khử nitrat trong nước thải.
Quỏ trỡnh xử lý này cho thấy ngoài việc làm sạch nguồn nước thải, con người cũn sử dụng chớnh nguồn nước đó được xử lý này tưới cho cõy trồng hoặc nuụi trồng thuỷ sản. Tuỳ theo phương phỏp xử lý nguồn nước thải khỏc nhau, mà được ứng dụng khỏc nhau.
Vớ dụ: Nếu xả nước thải ra đồng ruộng hay khu đất ở ngoài đồng, thỡ sau khi xử lý thường được sử dụng nguồn nước này vào tưới cho cõy trồng, cũn nếu xả vào ao, hồ thỡ sau khi xử lý nước sẽ dựng để nuụi trồng thuỷ sản.
2.2.6. Xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học trong điều kiện nhõn tạo
2.2.6.1. Xử lý nước thải bằng phương phỏp hiếu khớ
* Nguyờn lý chung của quỏ trỡnh xử lý sinh học hiếu khớ:
Khi nước thải tiếp xỳc với bựn hoạt tớnh, cỏc chất thải cú trong mụi trường như cỏc chất hữu cơ hũa tan, cỏc chất keo và phõn tỏn nhỏ sẽ được chuyển húa bằng cỏch hấp thụ vào keo tụ sinh học trờn bề mặt cỏc tế bào vi sinh vật. Tiếp đú là giai đoạn khuếch tỏn và hấp thụ cỏc chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào qua màng bỏn thấm (màng nguyờn sinh), cỏc chất vào trong tế bào dưới tỏc dụng của hệ enzym nội bào sẽ được phõn huỷ.
Sự ụxy húa cỏc hợp chất hữu cơ và một số chất khoỏng trong tế bào vi sinh vật nhờ vào quỏ trỡnh hụ hấp, nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thỏc được trong quỏ trỡnh hụ hấp mà chỳng cú thể tổng hợp cỏc chất để phục vụ cho quỏ trỡnh sinh trưởng, phỏt triển. Kết quả là số lượng tế bào vi sinh vật khụng ngừng tăng lờn. Quỏ trỡnh này liờn tục xảy ra và nồng độ cỏc chất xung quanh tế bào giảm dần. Cỏc thành phần thức ăn mới từ mụi trường bờn ngoài (nước thải) lại khuếch tỏn và bổ sung thay thế vào. Thụng thường quỏ trỡnh khuếch tỏn cỏc chất trong mụi trường xảy ra chậm hơn quỏ trỡnh hấp thụ qua màng tế bào, do vậy nồng độ cỏc chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp hơn nơi xa tế bào. Đối với cỏc sản phẩm của tế bào tiết ra thỡ ngược lại, nhiều hơn so với nơi xa tế bào.
* Yếu tố mụi trường ảnh hưởng đến quỏ trỡnh xử lý nước thải:
Để tạo điều kiện cho quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng biện phỏp sinh học trong điều kiện hiếu khớ cần điều chỉnh cỏc yếu tố mụi trường sau:
+ ễxy (O2): Trong cỏc cụng trỡnh xử lý hiếu khớ, O2 là thành phần cực kỳ quan trọng của mụi trường, vỡ vậy cần đảm bảo đủ O2 liờn tục trong suốt quỏ trỡnh xử lý nước thải và hàm lượng O2 hũa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt hai khụng nhỏ hơn 2 mg/lớt.
+ Nồng độ cỏc chất bẩn hữu cơ phải thấp hơn ngưỡng cho phộp. Nếu nồng độ cỏc chất bẩn hữu cơ vượt quỏ ngưỡng cho phộp sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của vi sinh vật, vỡ vậy khi đưa nước thải vào cỏc cụng trỡnh xử lý, cần kiểm tra cỏc chỉ số BOD, COD của nước thải. Hai chỉ số này phải cú nồng độ nhỏ hơn 500mg/lớt. Nếu dựng bể Aeroten, thỡ BODtp khụng được quỏ 1000mg/ lớt, nếu chỉ số BODtp vượt quỏ giới hạn cho phộp thỡ cần lấy nước ớt hoặc khụng bị ụ nhiễm để pha loóng.
+ Nồng độ cỏc chất dinh dưỡng cho vi sinh vật: Để vi sinh vật tham gia phõn giải nước thải một cỏch cú hiệu quả, thỡ cần phải cung cấp cho chỳng đầy đủ cỏc chất dinh dưỡng. Lượng chất dinh dưỡng cho vi sinh vật khụng được thấp hơn giỏ trị quy định (bảng 2.3).
Bảng 2.3: Nồng độ cỏc chất dinh dưỡng cho vi sinh vật để xử lý nước thải BODtP của nước thải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(mg/lớt)
Nồng độ nitrogen trong muối ammonium (mg/lit)
Nồng độ phosphor trong P2O5 (mg/lit)
< 500 15 3
500 - 1000 25 8
(M.X. Moxitrep, 1982)
Ngoài nguồn nitơ và photpho cú nhu cầu như đó nờu ở bảng trờn, cỏc nguyờn tố dinh dưỡng khoỏng khỏc như K, Ca, S….thường đó cú trong nước thải do đú khụng cần phải bổ sung.
Nếu thiếu nitơ ngoài việc khụng xỳc tiến nhanh quỏ trỡnh oxy húa, mà cũn làm cho bựn hoạt tớnh khú lắng và dễ trụi theo nước ra khỏi bể lắng.
Để xỏc định sơ bộ lượng cỏc chất dinh dưỡng cần thiết đối với nhiều loại nước thải cụng nghiệp, cú thể chọn tỷ lệ sau:
BODtP : N : P = 100 : 5 : 1
Ngoài ra cũn cú cỏc yếu tố khỏc của mụi trường xử lý như: pH, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đỏng kể đến quỏ trỡnh hoạt động sống của vi sinh vật trong cỏc thiết bị xử lý. Thực tế cho thấy pH tối ưu trong bể xử lý hiếu khớ là 6,5 - 8,6; nhiệt độ ở 6 - 370C.
* Cụng trỡnh xử lý hiếu khớ:
Để xử lý nước thải theo biện phỏp hiếu khớ, hiện nay cú khỏ nhiều phương phỏp, nhưng thường được sử dụng hai loại cụng trỡnh là: bể lọc sinh học (biofilter) và bể sục khớ (aeroten, oxyten).
- Bể lọc sinh học (biofilter):
Là thiết bị xử lý nước thải dựa trờn nguyờn tắc lọc với sự tham gia của vi sinh vật. Thiết bị này làm bằng bờ tụng cú dạng hỡnh trũn hay hỡnh chữ nhật cú hai đỏy (hỡnh 2.12). Đỏy trờn gọi là đỏy dẫn lưu, được cấu tạo bằng bờ tụng cốt thộp cú lỗ thủng với tổng diện tớch lỗ thủng nhỏ hơn 5 – 6 % diện tớch của đỏy. Đỏy dưới được xõy kớn, cú độ dốc nhất định để nước dễ dàng chảy về một phớa và thụng với bể lắng thứ cấp, là nơi chứa nước thải sau khi đó xử lý xong đổ ra.
Ở bể này nước được lưu lại một thời gian ngắn để được lắng cặn trước khi đổ ra ngoài hũa vào hệ thống thoỏt của cơ sở. Chiều cao của bể lọc hay của cột nguyờn liệu sẽ phụ thuộc vào thành phần của nước thải cũng như khả năng oxy húa của màng sinh vật. Lưu lượng dũng chảy của nước thải phụ thuộc vào khả năng oxy húa của màng sinh vật.
Hỡnh 2.12: Bể lọc sinh học Biofilter
Để tạo điều kiện hiếu khớ cho quỏ trỡnh xử lý, từ phớa dưới của đỏy dẫn lưu, người ta cho khụng khớ đi lờn qua vật liệu lọc hoặc tấm mang bằng thụng khớ tự nhiờn