Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó 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 không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ còn 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 hóa là Nitrosomonas và Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò 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 có 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 có thể dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó 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:
Hình 6.3: Đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý
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 môi 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 môi 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 đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trường.
Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có 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 đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ... phù hợp cho loài đó. 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, không nên nghĩ rằng đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.
Hình 6.4: Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải
Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có 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.
6.4. Giới thiệu bùn hoạt tính
Trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh sản và phát triển. Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng. Các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng BOD.
Các hạt bông này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng ở trong nước và dần được lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc. Những hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt chúng sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ thành bùn. Bùn này được gọi là bùn hoạt tính.
Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau, chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở trong nước. Các bông này có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ 3 đến 15μm. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và cặn rắn (khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo bông, nếu hiếu khí bằng thổi khí và khuấy đảo đầy đủ trong thời gian ngắn thì con số này khoảng 30%, thời gian dài khoảng 35% và kéo dài tới vài ngày có thể tới 40%). Những vi sinh vật sống ở đây chủ yếu là vi khuẩn, ngoài ra còn có nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, dòi, giun, …
Bùn hoạt tính lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm. Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí đầy đủ) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi.
Khi cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước thải cần quan tâm tới tỉ số BOD5 : N : P. Tỉ số này được đề xuất là 100 : 5 : 1đối với các công trình hiếu khí tích cực và 200 : 5 : 1 trong trường hợp hiếu khí dài ngày.
Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, ure và các muối amon làm nguồn nitơ và các muối photphat, supephotphat làm nguồn photpho. Trong trường hợp BOD nhỏ hơn 500mg/l thì chọn nồng độ nitơ trong muối amon là 15 mg/l và nồng độ photpho theo P2O5 là 3mg/l; còn trường hợp BOD trong khoảng 500 – 1000mg/l thì chọn các số tương ứng là 25 và 8mg/l.
Các nguyên tố dinh dưỡng ở dạng các hợp chất thích hợp cho tế bào vi sinh vật, dễ hấp thụ và đồng hóa là tốt nhất. Nguồn nitơ là NH4+ - dạng khử, photpho ở dạng photphat – dạng oxy hóa, là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi khuẩn.
Các nguyên tố K, Mg, Ca, S, Fe, Mn, Zn, … đều cần cho vi sinh vật nhưng ở trong nước thải có đủ mặt các chất này và không cần phải cho thêm. Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm sinh trưởng và ngăn cản các quá trình oxy hóa – khử trong tế bào vi sinh vật.
Nếu thiếu nitơ lâu dài sẽ làm cho vi sinh vật sinh ra dạng sợi làm cho quá trình lắng chậm và giảm hiệu suất oxy hóa các chất hữu cơ của bùn hoạt tính.
Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 đến 1012 trên 1mg chất khô. Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Mỉcococus, Flavobacterium, …
Trong khối nhầy ta thấy các loại Zooglea, đặc biệt là Z. ramigoza, rất giống
Pseudomonas. Chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy chung quanh tế bào. Bao nhầy
này là một polymer sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các tế bào vi khuẩn lại thành hạt bông.
Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa NH3 thành N2 cũng thấy có mặt trong bùn, như Nitromonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomicrobium, Thiobacillus. Ngoài ra còn thấy Sphacrotilus và Cladothirix.
Bảng 3.3: Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn có trong bùn hoạt tính Vi khuẩn Chức năng Pseudomonas Arthrobacter Bacillus Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitrobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nỉtococcus denitrificans Thiobacillus denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium Desulfovibrio
Phân hủy hidratcacbon, protein, các hợp chất hữu cơ khác và phản nitrat hóa
Phân hủy hidratcacbon
Phân hủy hidratcacbon, protein, … Phân hủy các polyme
Tạo thành chất nhầy (polysaccarit), hình thành chất keo tụ Tích lũy polyphotphat, phản nitrat
Nitrit hóa Nitrat hóa
Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ Phân hủy protein, phản nitrat hóa
Phân hủy protein
Phản nitrat hóa (khử nitrat thành N2)
Khử sulfat, khử nitrat
Các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi … trong nước thải. Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăng dần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy. Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được làm sạch.
Tùy thuộc vào điều kiện bên trong cũng như bên ngoài của nước thải, các nhóm vi sinh vật tồn tại trong bùn sẽ khác nhau. Chúng có khả năng thích ứng với điều kiện sống mới.
Thành phần nước thải thay đổi sẽ làm thay đổi chủng loại thành phần, tăng giảm số lượng từng loài trong quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính.
Tính chất quan trọng của bùn là khả năng tạo bông. Theo lý thuyết của Mekhati thì sự tạo bông xảy ra ở giai đoạn trao đổi chất có tỉ lệ chất dinh dưỡng với sinh khối trở lên thấp dần. Tỉ lệ này thấp sẽ đặc trưng cho nguồn năng lượng thấp của hệ thống và dẫn tới giảm năng lượng chuyển động. Động năng tác dụng đối kháng với lực hấp dẫn. Nếu động năng nhro thì tác động đối kháng cũng sẽ nhỏ và các tế bào vi khuẩn hấp dẫn với nhau. Diện tích bề mặt tế bào, sự tạo thành vỏ nhầy và tiết ra niêm dịch là nguyên nhân keo tụ của các tế bào vi khuẩn.
Trong bùn hoạt tính ta còn thấy các loài thuộc động vật nguyên sinh. Chúng đóng vai trò khá quan trọng trong bùn. Chúng cũng tham gia phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi cho quần thể vi trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm
xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzim ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh.
Trong bùn hoạt tính thấy có đại diện của 4 lớp protozoa: Sarcodina,
Mastgophora, Ciliata và Suctoria. Hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp
Sarcodina.
Người ta lấy chỉ tiêu protozoa để xác định chất lượng bùn hoạt tính: bùn có chất lượng cao thì cứ 1 triệu tế bào vi khuẩn phải có 10 – 15 protozoa.
Nhiều hợp chất hóa học có tác dụng gây độc đối với hệ vi sinh vật của bùn hoạt tính ảnh hưởng đến hoạt động sống của chúng, thậm chí làm chúng bị chết. Với nồng độ cao các chất phenol, formaldehyt và các chất sát khuẩn cũng như các chất bảo vệ thực vật sẽ làm biến tính protein của tế bào chất hoặc tác dụng xấu lên thành tế bào. Các kim loại có ảnh hưởng đến sự sống của vi khuẩn theo thứ tự như sau: Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb, Cr, Zn, Fe. Nói chung, các ion kim loại này thường ở nồng độ vi lượng (vài phần triệu (ppm) đến vài phần nghìn) thì có tác dụng dương tính đến sinh trưởng vi sinh vật và các động thực vật, nếu cao hơn nữa sẽ xuất hiện tác dụng âm tính, riêng bạc ở nồng độ vi lượng cũng đã có tác dụng sát khuẩn. Tác dụng sát khuẩn còn thấy ở các hợp chất thủy ngân, còn với chì là một chất độc tích lũy trong cơ thể sinh vật. Các ion kim loại thường ở dạng muối vô cơ. Nồng độ muối vô cơ có trong nước thải cũng có ảnh hưởng đến khả năng hình thành và chất lượng của bùn, ví dụ: nồng độ muối clorit tăng đến 30g/l sẽ làm giảm chất lượng làm sạch của nước thải.
Ta có thể phát huy được vai trò của bùn hoạt tính, trong các quy trình công nghệ chúng ta phải quan tâm đến: nồng độ oxy hòa tan trong nước hay là điều kiện hiếu khí (có thể làm tăng mặt thoáng của ao hồ, bể chứa hoặc sục khí và khuấy cưỡng bức), nồng độ và tuổi của bùn hoạt tính, các chất gây độc cho vi sinh vật nước hay trong bùn hoạt tính, … cùng pH, nhiệt độ nước thải.
Ta có thể tạo bùn hoạt tính trong phòng thí nghiệm với điều kiện là môi trường tương tự với thành phần nước thải (hay còn gọi là gần giống phổ nhiễm bẩn) với giống vi sinh vật ban đầu là ít bùn ở bể chứa nước thải sinh hoạt hoặc công nghiệp mà ta sau này cần phải xử lý. Khi nuôi cấy tạo bùn có thể thêm một số chất dinh dưỡng và chất sinh trưởng vào muôi trường, sục khí và khuấy. Khi môi trường tạo lượng tối đa bùn hoạt tính ta sẽ cho vào các ao hồ, bể hoặc thiết bị xử lý nước thải ở điều kiện hiếu khí.
Dùng một lượng bùn hoạt tính (khoảng 15 – 30%, có khi tới 75%) cho quay lại làm giống để xử lý cho mẻ tiếp theo. Những kỹ thuật trong quá trình này về nguyên tắc rất giống như trong lên men hiếu khí và dùng bùn hồi lưu như sử dụng lại men giống trong lên men rượu, bia.
Phương pháp tạo và tái sinh (hoạt hóa) bùn hoạt tính
Hệ thống xử lý mới đưa vào hoạt động chưa có bùn hoạt tính, người ta phải tạo bùn hoạt tính.
Để tạo bùn hoạt tính phải chú ý đến một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính. Các yếu tố đó là:
− Nhiệt độ của nước thải. Nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt xuống 25 ÷ 30oC.
− Cần phải điều chỉnh pH của nước thải về khoảng 6,5 ÷ 7,5.
− Các nguyên tố có tính độc làm kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật hoặc có thể diệt được các vi sinh vật. Nếu các chất có độc tố đặc biệt này thì cần phải có biện pháp loại bỏ riêng.
− Xác định tỉ lệ hàm lượng N tổng và P tổng có trong nước thải. Nếu tỉ lệ BOD5 : N : P cách xa so với hằng số tỉ lệ 100 : 5 : 1 thì phải bổ sung thêm P và N. Có thể dùng muối amon, nước amoniac, ure, … làm nguồn N và các muối photphat hoặc supephotphat làm nguồn P.
Môi trường tạo bùn là nước thải cùng nguồn N và P có tính toán được pha trộn với nhau. Giống vi sinh vật là bùn hoạt tính lấy từ các nơi khác hoặc những bể chứa đã hình thành bùn ở điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước thải giống nhau. Bùn này được cho vào môi trường trong các bình tam giác theo tỉ lệ 5 – 10% rồi đặt trên máy lắc có vận tốc 180 ÷ 220 vòng/phút ở 30oC trong 24 ÷ 48 h, sau đó lấy cặn bùn từ bình tam giác đưa vào các thùng lớn chứa môi trường có sục khí để tạo thành hiếu khí rồi chuyển sang hệ thống xử lý … Công việc này rất cần lưu ý nhu cầu oxy của bùn hoạt tính (nếu là bùn kị khí thì phải nuôi kín, tĩnh và không sục khí).
Bùn hồi lưu có thể được làm tái sinh hay hoạt hóa để tăng hoạt lực của bùn trong các bể có pha các tỉ lệ môi trường thích hợp (nước thải được bổ sung nguồn N và P) và sục khí tích cực trong vài giờ rồi cho quay trở lại các bể hiếu khí aeroten hoặc các bể xử lý hiếu khí khác.
6.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học
Ảnh hưởng của độ pH
Các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí có thể hoạt động được trong dải pH khá rộng từ 5 – 9. Tuy nhiên pH tối ưu trong khoảng 6,5 ÷ 8,5. Nước thải có pH ngoài ngưỡng cho phép được điều chỉnh trong bể điều hòa.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong xử lý sinh học, nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định vận tốc của phản