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 + HO + 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;

2S + 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 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, NO3và SO42-. 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:

CxHyOzN + (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.

sinh học hiếu khí

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

Đồ thị trên mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn đơn độc. Thực tế trong 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 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 theo hình
sinh học hiếu khí

Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải

Trong các bể xử lý nước thải vi khuẩn đóng một vai trò quan trọng hàng đầu. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích với 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 lưu 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.

Giai đoạn 2: quá trình chuyển hóa cơ chất:

+ Oxy hóa và tổng hợp tế bào (quá trình đồng hóa):

CxHyOzN + NH3+ O2 men — > xCO2 + C5H7NO2

+ Quá trình hô hấp nội bào (Quá trình dị hóa):

C5H7NO2 + 5O2 men — > xCO2+H­2O

NH3+ O2 men — > O2+ HNO2 men — > HNO3

Khi không đủ cơ chất, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxy hóa chất liệu tế bào.

Giai đoạn 3: Quá trình khử Nito và Phospho:

khử nitokhử phospho

Quá trình vi sinh vật hiếu khí lơ lửng

Khái niệm: Quá trình vi sinh vật hiếu khí lơ lửng là quá trình vi sinh vật sinh sản và phát triển thành các bông bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Các công trình xử lý bao gồm: bể aeroten, mương oxy hóa, bể SBR…

Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số những quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất.

Quá trình bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%). Chất nền trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là chất rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau. Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen. Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nắm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là ấu trùng sâu bọ. Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn, có thể chia ra làm 8 nhóm:

  1. Alkaligenes- Achromobacter
  2. Pseudomonas
  3. Enterobacteriaceae
  4. Athrobacter baccillus
  5. Cytophaga- Flavobacteriaum
  6. Pseudomonas- Vibrio aeromonas
  7. Achrobacter
  8. Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micococus

Trong nước thải có các tế bào của Zooglea có khả năng sinh ra bào nhầy xung quanh tế bào có tác dụng gắn kết các vi khuẩn các hạt lơ lửng khó lắng các chất màu chất gây mùi… và phát triển thành các bông cặn. Các bông cặn này khi được khuấy đảo và thổi khí sẽ dần dần lớn lên do hấp phụ nhiều hạt 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 khi các cơ chất cạn kiệt, chúng sẽ lắng xuống tạo ra bùn hoạt tính. Trong bùn hoạt tính luôn có mặt động vật nguyên sinh mà đại diện là Sarcodina, Mastigophara, Ciliata, Suctoria và vài loại sinh vật phức tạp khác. Quan hệ giữa động vật nguyên sinh và vi khuẩn là quan hệ “mồi – thú” thuộc cân bằng động chất hữu cơ- vi khuẩn- động vật nguyên sinh. Khi bùn lắng xuống là “bùn già” hoạt tính bùn bị giảm. Hoạt tính của bùn có thể được hoạt hóa trở lại bằng cách cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và cơ chất hữu cơ. Công thức bùn hoạt tính thường dùng trong tính toán là C5H7O2­­N.

Các yếu tố ảnh hưởng đến các quá trình vi sinh vật hiếu khí lơ lửng

  • Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính, tức phụ thuộc vào chỉ số bùn. Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại.
  • Nồng độ oxy cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này. Khi tiến hành quá trình phải cung cấp đầy đủ lượng oxy vào liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II >= 2 (mg/l).
  • Khác với quá trình kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aeroten có BOD toàn phần phải =< 1000 (mg/l), còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải =<500 (mg/l).
  • Ngoài ra trong nước thải cũng cần có các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Fe, Ca, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl… thường có đủ trong nước thải. Tùy theo hàm lượng cơ chất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết khác nhau. Thông thuờng cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BODtoàn phần : N: P = 100: 5: 1
  • Bùn hoạt tính có khả năng hấp thụ muối các kim loại nặng. Khi đó hoạt tính sinh học của bùn giảm, bùn sẽ bị trương phồng khó lắng do sự phát triển mãnh liệt của vi khuẩn dạng sợi. Vì vậy nồng độ các chất độc và kim loại nặng trong nước thải phải nằm trong giới hạn cho phép.

Yếu tố môi trường:

  • pH : là một yếu tố chính trong sự phát triển của những vi sinh vật. Phần lớn vi sinh vật không thể chịu được pH > 9 vì lúc này sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào làm cho vi sinh vật chết và pH < 4 sẽ thúc đẩy nấm phát triển. Thông thường pH tối ưu cho vi sinh vật phát triển tốt nhất trong khoảng 6,5 – 7,5.
  • Nhiệt độ: cũng là yếu tố quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật. Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ 25oC – 37oC hoặc từ 20 – 80 oC hoặc từ 20 – 40oC ( tối ưu 25oC – 37oC).
  • Ngoài ra quá trình xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào bể xử lý cũng như các loài vi sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ.

Đánh giá

Average rating 4.6 / 5. Vote count: 5

Bạn hãy đánh giá cho bài viết này

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *