Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H₂S, Sunfit, Ammonia, Nitơ,… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân chia thành 2 loại:

• Phương pháp kỵ khí sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy;
• Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo ba giai đoạn chính như sau:

• Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật;
• Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào;
• Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phục thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng

Khái niệm quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình sinh học hiếu khí là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ chứa cacbon dễ bị phân hủy sinh học (thường biểu thị bằng chỉ tiêu: BOD, COD, TOC – tổng cacbon hữu cơ) với sự tham gia của các vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện có oxy.

Nguyên tắc quá trình sinh học hiếu khí

Nguyên tắc của quá trình này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH… thích hợp.

Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)_nNS + O₂ -> CO­₂ + H_2­O + NH₄ + H₂S + Tế bào vi sinh vật + … ΔH

Trong điều kiện hiếu khí NH₄⁺ và H₂S bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa, sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH₄⁺ + 2O₂ -> NO₃^– + 2H⁺  + H₂O + ΔH;

H­₂S + 2O₂ -> SO₄⁺ + 2H⁺ + ΔH

Hoạt động của vi sinh vật hiếu khí bao gồm:

• Quá trình dinh dưỡng: vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản.

Quá trình phân hủy: vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO_2­ hoặc tạo ra các chất khí khác

Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học hiếu khí

 Ưu điểm: 

• So với phương pháp kỵ khí thì công nghệ hiếu khí có các ưu điểm là hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn.
• Phương pháp hiếu khí không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học, hóa lý.

Nhược điểm:

• Nhưng phương pháp hiếu khí cũng có nhược điểm là thể tích công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn.
• Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn.
• Chi phí vận hành, đặc biệt chi phí cho năng lượng sục khí tương đối cao.
• Không có khả năng thu hồi năng lượng. Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ.
• Sau khi xử lý sinh ra một lượng bùn dư và lượng bùn này kém ổn định, do đó đòi hỏi về chi phí đầu tư để xử lý bùn.
• Xử lý nước thải có tải trọng không cao như phương pháp kỵ khí.

Mô tả quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng công nghệ sinh học hiếu khí là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là CO₂, H­₂O, NO₃^‑ và SO₄^2-. Trong quá trình xử lý hiếu khí các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột, chất béo… sẽ bị phân hủy bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ, các đương đơn… Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân hủy tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO₂ và H₂O. Cơ chế quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào:

C_xH_yO_zN + (x+ y/4 + z/3 + ¾) O­₂ men —- >  xCO­₂ + [ (y-3)/2] H₂O + NH₃

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 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. Khi các 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 sinh. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như 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 thich 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 các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi sinh vật đã bị sử dụng hết, số lượng vi khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn đã chết đị.
• Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi nhiều hơn 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 thước thường khả kiến hoặc là do đặc điểm của môi trường.

Đồ thị về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý sinh học hiếu