Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI Việt Nam là một nước đang phát triển. Công nghiệp hóa- hiện đại hóa được xem như chìa khóa để phát triển đất nước. Hiện nay với hơn 800.000 cơ sở sản xuất công nghiệp và gần 70 khu chế xuất, khu công nghiệp tập trung đã đóng góp một phần lớn vào GDP của đất nước. Bên cạnh sự phát triển của các ngành kinh tế, sự phồn vinh của đất nước thì vấn đề luôn đi kèm với sự phát triển là ô nhiễm môi trường, một vấn đề nhức nhối và chưa được quan tâm đúng mức. Các chất thải đủ loại của các ngành công nghiệp với hàm lượng cao của các chất độc hại, các chất hữu cơ và kim loại nặng được xả thẳng ra môi trường đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Ngoài ra, nước ta cũng là một quốc gia có tỉ lệ tăng dân số cao trong khu vực và trên thế giới. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của người dân, một lượng nước thải sinh hoạt không nhỏ chưa được xử lý đã được thải ra môi trường dẫn đến tình trạng ô nhiễm mùi và hàm lượng chất hữu cơ cao. Do đó, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để giảm bớt nồng độ ô nhiễm của nước thải đến mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam trước khi thải ra môi trường. Vì vậy, xử lý nước thải là một việc làm rất cần thiết và cấp bách. Thực tế là trong số các biện pháp kiểm soát ô nhiễm, xử lý nước thải đã và đang được coi là biện pháp chủ lực. Có nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, phương pháp hoá học, phương pháp nhiệt…nhưng phương pháp luôn được hướng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng là xử lý sinh học, do công nghệ đơn giản, chi phí vận hành thấp nhờ dựa vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Vì vậy, việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một bước cực kì quan trọng và cần thiết trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải nói chung. Trong đó việc sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để xử lý nước thải là phương pháp phổ biến nhất trong các công trình xử lý hiện nay. Tuy phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí là rất phổ biến và đã được nghiên cứu nhiều nhưng các tài liệu liên quan còn khá phân tán, rải rác, khó nắm bắt tổng thể. Từ những băn khoăn trên và để góp phần làm rõ thêm về vai trò của các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí” đã ra đời. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí nhằm giảm thiểu ô nhiễm các chất hữu cơ trong nước thải gây ra cho môi trường. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải nói chung. - Tổng quan về các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải. - Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí: các biến đổi hoá sinh học và vi sinh học, động học của quá trình, các thông số ảnh hưởng, các dạng công trình xử lý vi sinh hiếu khí... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập, sắp xếp và tổng hợp những tài liệu cần thiết có liên quan đến đề tài thành một hệ thống logic và hoàn chỉnh. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1.1 Khái niệm về nước thải và sự ô nhiễm nước Nước thải là nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc nước chảy tràn qua các vùng ô nhiễm. Tùy vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, và nước thải là nước mưa. Tổng 3.110.000 m3 nước thải/ ngày (2005). Nước thải sinh hoạt đô thị (1.990.400m3/ngày) Nước thải bệnh viện (124.400m3/ngày) Nước thải sản xuất từ các khu công nghiệp (995.200m3/ngày) Hình 2.1: Ước tính tổng lượng nước thải hàng ngày (Việt Nam). ( Nguồn: theo tính toàn của TTKTMTĐT&KCN, ĐH Xây dựng Hà Nội, 2005) Ô nhiễm nước là hiện tượng những yếu tố bên trong và bên ngoài môi trường nước tác động vào môi trường nước làm thay đổi thành phần và tính chất của nước, có hại cho hoạt động sống bình thường của sinh vật và con người, bởi sự có mặt của một hay nhiều hóa chất lạ vượt qua ngưỡng chịu đựng của sinh vật. Nói cách khác nước bị ô nhiễm là bởi các chất khác nhau làm cho chất lượng nước thay đổi theo khuynh hướng xấu đi. Sự ô nhiễm nước chịu tác động bởi 3 yếu tố: vật lý, hoá học và sinh học. Ba yếu tố này có tác động đồng thời cũng có khi tác động riêng lẻ. Sự ổn định trạng thái nước trong điều kiện tự nhiên là rất mong manh, hay nói cách khác môi trường nước rất nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài và có khả năng lan truyền rất nhanh. Sự ô nhiễm nước tự nhiên xảy ra do 2 nguồn gây ô nhiễm chính: - Nguồn gốc tự nhiên của ô nhiễm nước là do mưa, tuyết tan, gió bão, lũ lụt. Những tác động ô nhiễm do mưa xảy ra thường xuyên. Các tác nhân trên dựa vào môi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật và vi sinh vật có hại, kể cả xác chết của chúng. Tác động này có thể khi mưa, hạt nước rửa trôi bầu không khí bị ô nhiễm, kéo theo những chất ô nhiễm và thải vào môi trường nước. Cũng có thể mưa sẽ rơi trên các mái nhà, đường phố, khu chăn nuôi, bệnh viện…kéo theo những chất ô nhiễm làm bẩn môi trường nước, trong đó có hiện tượng mưa acid thường gây ra những hậu quả rất nghiêm trọng. Hiện tượng động đất và hiện tượng núi lửa ít xảy ra nhưng một khi đã xảy ra thì mức độ ô nhiễm nước tự nhiên thường rất mạnh và rất khó xử lý trong một thời gian ngắn. Tác động xấu của hiện tượng ô nhiễm này thường kéo dài, thậm chí có thể kéo dài hàng thế kỷ. - Nguồn gốc con người của ô nhiễm nước: những hoạt động sống của con người rất đa dạng và gây ra ô nhiễm nước thường xuyên dưới nhiều hình thức. Những tác động đó có thể là hiện tượng thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp (sản xuất thuốc trừ sâu, phân bón nông nghiệp), giao thông vận tải… vào môi trường nước, có thể là hiện tượng tràn dầu, dịch bệnh hoặc chiến tranh (chiến tranh hoá học, chiến tranh sinh học và chiến tranh hạt nhân). - Trong các tác nhân gây ô nhiễm nước thì tác động làm nước bị ô nhiễm mạnh nhất và thường xuyên nhất là tác động do con người gây ra. Những tác động này xảy ra ở nhiều nơi làm hiện tượng nước ngọt có trong điều kiện tự nhiên ngày càng bị thu hẹp lại. Phải mất một thời gian dài nữa thì loài người mới có thể giải quyết được những hậu quả đó. Mọi cố gắng của loài người bây giờ là làm giảm đến mức tối đa những tác động xấu đến môi trường nước. 2.1.2 Phân loại nước thải 2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng. Ngoài ra, trong nước thải sinh hoạt còn chứa nhiều loài vi sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng, phần lớn là các virus, vi khuẩn gây bệnh…,và chúng thường chứa các thành phần dinh dưỡng rất cao. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học (hydratcarbon, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi. Nước thải sinh hoạt thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Bảng 2.1 Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng (gam/người.ngày) Tải lượng ô nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lửng 70 – 145 89 – 184,5 Amoni (N-NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 – 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng hợp 6 – 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 – 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại: - Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh. - Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Bảng 2.2 Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt STT Các chất có trong nước thải (mg/l) Mức độ ô nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tổng chất rắn Chất rắn hoà tan Chất rắn không hoà tan Tổng chất rắn lơ lửng Chất rắn lắng Oxy hoà tan Nitơ tổng Nitơ hữu cơ N-NH3 N-NO2 N-NO3 Clorua Độ kiềm (mg CaCO3) Chất béo Tổng photpho 1.000 700 300 600 12 0 85 35 50 0,1 0,4 175 200 40 - 500 350 150 350 8 0 50 20 30 0,05 0,2 100 100 20 8 200 120 8 120 4 0 25 10 15 0 0,1 15 50 0 - Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngòai ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo, và các chất béo (5 -10%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khỏang 150 –450% mg/l theo trọng lượng khô. Có khỏang 20 – 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp. Giữa lượng nước thải và tải trọng chất thải của chúng biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5 có 1 mối tương quan nhất định. Nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thoát ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn. 2.1.2.2 Nước thải công nghiệp Là lọai nước thải sau quá trình sản xuất, có thành phần và tính chất phức tạp hơn so với nước thải sinh hoạt và phụ thuộc vào loại hình công nghiệp. Đặc tính ô nhiễm và nồng độ của nước thải công nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào lọai hình công nghiệp và chế độ công nghệ lựa chọn. Bảng 2.3 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải của một số ngành công nghiệp Ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm Nồng độ (mg/l) Nhà máy luyện thép NH3-N 200 N hữu cơ 100 Phenol 2.000 Xi mạ Cr+6 3 – 550 Nhựa dẻo COD 23.000 TOC 8.800 Hồ thải từ công đoạn dán gỗ COD 2.000 Phenol 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 Phân bón BOD5 4.500 Chất rắn lơ lửng 10.000 Giết mổ gia súc BOD5 400 – 2.500 Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000 Bột giấy và giấy BOD5 100 – 350 Chất rắn lơ lửng 75 – 300 Thuộc da BOD5 700 – 7.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Trong công nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thô hay phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt. Nước cấp cho sản xuất có thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp có hệ thống xử lý riêng. Nhu cầu về cấp nước và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lưu lượng nước thải của các xí nghiệp công nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất. Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành công nghiệp, số liệu cũng có thể thay đổi đáng kể do mức độ hoàn thiện của công nghệ sản xuất hoặc điều kiện môi trường. 2.1.2.3 Nước thải là nước mưa Đây là lọai nước thải sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất và lôi kéo theo các chất cặn bã, dầu mỡ,… khi đi vào hệ thống thóat nước. Những nơi có mạng lưới cống thoát riêng biệt: mạng lưới cống thoát nước thải riêng với mạng lưới cống thoát nước mưa. Nước thải đi về nhà máy xử lý gồm: nước sinh hoạt, nước công nghiệp và nước ngầm thâm nhập, nếu sau những trận mưa lớn không có hiện tượng ngập úng cục bộ, nếu có nước mưa có thể tràn qua nắp đậy các hố ga chảy vào hệ thống thoát nước thải. Lượng nước thâm nhập do thấm từ nước ngầm và nước mưa có thể lên tới 470m3/ha.ngày. Nơi có mạng cống chung vừa thoát nước thải vừa thoát nước mưa. Đây là trường hợp hầu hết ở các thị trấn, thị xã, thành phố của nước ta. Lượng nước chảy về nhà máy gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm thâm, và một phần nước mưa. Trong những tác động mạnh nhất của mưa đến môi trường nước là hiện tượng mưa acid. Mưa acid là sự lắng tụ các chất khí tạo ra acid như CO2, SOx NOx Cl2…bởi tuyết, sương mù, bụi và các tác nhân gây sự lắng đọng khác từ không khí. Tác động dễ nhận thấy sau những trận mưa acid là làm chua đất, chua nước. Ảnh hưởng rất xấu đất khu hệ sinh vật đất và khu hệ sinh vật nước. 2.1.3 Các chất gây nhiễm bẩn nước - Các yếu tố vật lý: nhiệt độ cao hay thấp, pH, biến đổi màu nước. - Các yếu tố hóa học: các chất hữu cơ, vô cơ, các hợp chất chứa nitơ, hợp chất chứa photpho và các kim loại nặng. + Các chất hữu cơ khó phân hủy: thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm, các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ,…Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy. Hàm lượng các chất này trong nguồn nước tự nhiên rất thấp. + Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt, từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các chất này chủ yếu làm suy giảm các chất hòa tan trong nước. + Các kim loại nặng: hầu hết các kim loại nặng đều có độc tính cao đối với người và động vật. Trong nước thải công nghiệp thường chứa các kim loại nặng là chì, thủy ngân, crom, cadimi, asen… + Các ion vô cơ: các ion vô cơ có nồng độ cao trong nước tự nhiên, đặc biệt là nước biển. Trong nước thải có một lượng khá lớn các hợp chất vô cơ tùy thuộc vào các nguồn nước thải. - Các yếu tố sinh học: virus, vi khuẩn gây bệnh, vi nấm nguyên sinh động vật, các loài giun sán. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào những đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Thông thường có các phương pháp xử lý nước thải như sau: Xử lý bằng phương pháp cơ học Xử lý bằng phương pháp hoá lý và hoá học. Xử lý bằng phương pháp sinh học 2.2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng ở giai đoan đầu của quá trình xử lý nước thải hay còn gọi là quá trình xử lý sơ bộ hay là quá trình tiền xử lý. Qúa trình này dùng để loại bỏ các tạp chất không tan có trong nước thải, bao gồm các tạp chất vô cơ và hữu cơ có trong nước. Nó là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an toàn cho các công trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học có nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên tuỳ theo thành phần và tính chất nước thải xử lý mà các công trình sau đây có thể áp dụng: 2.2.1.1 Thiết bị chắn rác Thiết bị chắn rác có thể là song chắn rác hoặc lưới chắn rác, có chức năng chắn giữ những rác bẩn thô (giấy, rau, cỏ, rác…), nhằm đảm bảo đảm cho máy bơm, các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định. Song và lưới chắn rác được cấu tạo bằng các thanh song song, các tấm lưới đan bằng thép hoặc tấm thép có đục lỗ… tùy theo kích cỡ các mắt lưới hay khoảng cách giữa các thanh mà ta phân biệt loại chắn rác thô, trung bình hay rác tinh. Thiết bị chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoạc có thể đặt trước miệng xả của nhà máy sản xuất. Lưới chắn rác thường đặt nghiêng một góc 45 - 60º so với phương thẳng đứng, khe rộng mắt lưới thường 10 - 20mm. Theo cách thức làm sạch thiết bị chắn rác ta có thể chia làm 2 loại: loại làm sạch bằng tay, loại làm sạch bằng cơ giới. 2.2.1.2 Thiết bị nghiền rác Là thiết bị có nhiệm vụ cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, các mảnh nhỏ lơ lửng trong nước thải để không làm tắc ống, không gây hại cho bơm. Trong thực tế cho thấy việc sử dụng thiết bị nghiền rác thay cho thiết bị chắn rác đã gây nhiều khó khăn cho các công đoạn xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên như làm tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thoáng trong các bể (đĩa, lỗ phân phối khí và dính bám vào các tuabin…. Do vậy phải cân nhắc trước khi dùng. 2.2.1.3 Bể điều hòa Là đơn vị dùng để khắc phục các vấn đề sinh ra do sự biến động về lưu lượng và tải lượng dòng vào, đảm bảo hiệu quả của các công trình xử lý sau, đảm bảo đầu ra sau xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này. Có 2 loại bể điều hòa: − Bể điều hòa lưu lượng − Bể điều hòa lưu lượng và chất lượng Các phương án bố trí bể điều hòa có thể là bể điều hòa trên dòng thải hay ngoài dòng thải xử lý. Phương án điều hòa trên dòng thải có thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn phương án điều hòa ngoài dòng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đó. Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom cũng như đặc tính của nước thải. 2.2.1.4 Bể lắng cát Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thô, nặmg như: cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại, tro, than vụn… nhằm bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mòn, giảm cặn nặng ở các công đoạn xử lý sau. Bể lắng cát thường đặt sau song chắn rác và đặt trước bể điều hoà lưu lượng. Bể lắng cát gồm những loại sau: − Bể lắng cát ngang − Bể lắng cát đứng − Bể lắng cát tiếp tuyến − Bể lắng cát làm thoáng 2.2.1.5 Quá trình lắng Lắng là phương pháp đơn giản nhất để tách các chất bẩn không hòa tan ra khỏi nước thải. Dựa vào chức năng và vị trí có thể chia bể lắng thành các loại: − Bể lắng đợt 1: Được đặt trước công trình xử lý sinh học, dùng để tách các chất rắn, chất bẩn lơ lửng không hòa tan. − Bể lắng đợt 2: Được đặt sau công trình xử lý sinh học dùng để lắng các cặn vi sinh, bùn làm trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Căn cứ vào chiều dòng chảy của nước trong bể, bể lắng cũng được chia thành các loại giống như bể lắng cát ở trên: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng tiếp tuyến (bể lắng radian). 2.2.1.6 Quá trình lọc Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khỏi nước thải, mà các bể lắng không thể loại được chúng. Người ta tiến hành quá trình lọc nhờ các vật liệu lọc, vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ các tạp chất lại. Vật liệu lọc được sử dụng thường là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi, thậm chí cả than nâu, than bùn hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương. Có nhiều dạng lọc: lọc chân không, lọc áp lực, lọc chậm, lọc nhanh, lọc chảy ngược, lọc chảy xuôi… 2.2.1.7 Quá trình tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay lám đặc bọt. Trong xử lý nước thải về nguyên tắc tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là không khí) vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo các hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử hoàn toàn các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trongthời gian ngắn. 2.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý và hoá học Bản chất chung của quá trình xử lý hoá lý và hoá học là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dung phương pháp cơ học loại bỏ được. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất ô nhiễm và các hoá chất thêm vào. Các phương pháp thường được sử dụng là oxy hoá và trung hoà. Đi đôi với các phương pháp này còn kèm theo các quá trình kết tủa và nhiều hiện tượng khác. Các công trình tiêu biểu của phương pháp này bao gồm 2.2.2.1 Quá trình keo tụ, tạo bông Quá trình keo tụ tạo bông được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo có kích thước rất nhỏ. Các chất này tồn tại ở dạng khuếch tán và không thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian. Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì ta nên thêm vào nước thải một số hoá chất như phèn nhôm, phèn sắt, polymer… các chất này có tác dụng kết dính các chất khuếch tán trong dung dịch thành các hạt có kích cỡ và tỉ trọng lớn hơn nên sẽ lắng nhanh hơn. Trong khi tiến hành quá trình keo tụ, tạo bông cần chú ý: pH của nước thải Bản chất của hệ keo Sự có mặt của cácion trong nước Thành phần của các chất hữu cơ trong nước Nhiệt độ Các phương pháp keo tụ có thể là keo tụ bằng chất điện li, keo tụ bằng hệ keo ngược dấu. trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ, sau khi kết thúc giai đoạn thuỷ phân các chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt, phèn kép), giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hình thành bông cặn. Để cho quá trình tạo bông cặn diễn ra thuận lợi người ta xây dựng các bể phản ứng đáp ứng các chế độ khuấy trộn. Bể phản ứng theo chế độ khuấy trộn được chia làm 2 loại: thuỷ lực và cơ khí. Thông thường, sau khi diễn ra quá trình keo tụ tạo bông, nước thải sẽ được đưa qua bể lắng để tiến hành loại bỏ các bông cặn có kích thước lớn mới được hình thành. Phương pháp keo tụ có thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi tạo bông cặn, các bông cặn lớn lắng xuống thì những bông cặn này có thể kéo theo các chất phân tán không tan gây ra màu. 2.2.2.2 Phương pháp trung hoà Nước thải sản xuất của nhiều ngành công nghiệp có thể chứa axit hoặc kiềm. Để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hóa ở các công trình làm sạch và nguồn nước không bị phá hoại, ta cần phải trung hòa nước thải. Trung hòa còn nhằm mục đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải. Mặt khác muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về 6.6 - 7.6 Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa dịch nước thải. Ngoài ra, có thể tận dụng nước thải có tính acid trung hòa nước thải có tính kiềm hoặc ngược lại. 2.2.2.3 Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là phương pháp tách các chất hữu cơ và khí hoà tan ra khỏi nước thải bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hoà tan với các chất rắn (hấp phụ hoá học). Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và pha rắn. Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xảy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn ra quá trình khứ hấp phụ. Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phục hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết. Những chất hấp phụ có thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ. 2.2.2.4 Phương pháp trích ly Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hoà tan ra khỏi nước thải bằng dung môi nào đó nhưng với điều kiện dung môi đó không tan trong nước và độ hoà tan chất bẩn trong dung môi cao hơn trong nước. Kỹ thuật trích ly có thể tiến hành như sau : cho dung môi vào trong nước thải và trộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng. Tiếp đó cho qua bể lắng. Do sự chênh lệch về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và để tách biệt chúng ra bằng phương pháp cơ học. 2.2.2.5 Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là ionit (chất trao đổi ion). Chúng hoàn toàn không tan trong nước. Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn,… cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua và chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khỏi nước cứng. Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. Phương pháp này cho phép thu hồi các kim loại có giá trị và đạt được mức độ xử lý cao. Vì vậy nó là phương pháp để ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước cấp và nước thải. 2.2.2.6 Phương pháp xử lý bằng màng Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau. Nó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặc thậm chí cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đó qua màng. Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải. 2.2.2.7 Khử khuẩn Dùng các hoá chất có tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun sán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng. Khử khuẩn có thể dùng hoá chất hoặc các tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại. Hoá chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo có tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đó phải được phân huỷ hoặc bay hơi, không còn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javen, vôi clorua, các hipoclorit, cloramin B…Đây là các hợp chất của clo, đảm bảo là những chất khử khuẩn đáp ứng được các yêu cầu trên, đồng thời cũng là các chất oxi hoá. Trong quá trình xử lý nước thải, công đoạn khử khuẩn thường được đặt ở cuối quá trình trước khi làm sạch nước triệt để và chuẩn bị đổ vào nguồn. 2.2.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải, có khả năng phân hoá những hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Có 2 loại công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: - Điều kiện tự nhiên: bao gồm các công trình: cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc, cánh đồng tưới nông nghiệp, hồ sinh học. - Điều kiện nhân tạo: có thể chia thành 2 loại: + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện môi trường được cung cấp oxi liên tục, gồm các công trình như: bể lọc sinh học, bể aerotank… + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kị khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện môi trường không có oxi, gồm các công trình như bể UASB, bể UAF… 2.2.3.1 Cánh đồng tưới công cộng và bãi lọc Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể. Như vậy, nước thải là một nguồn phân bón tốt có lượng N thích hợp với sự phát triển của thực vật. Để sử dụng nước thải làm phân bón, đồng thời giải quyết xử lý nước thải theo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc. Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi có độ dốc tự nhiên, cách xa khu dân cư về cuối hướng gió. Xây dựng ở những nơi đất cát, á cát, cũng có thể ở nơi đất á sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới không cao và đảm bảo đất có thể thấm kịp. 2.2.3.2 Cánh đồng tưới nông nghiệp Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bón để tưới lên các cánh đồng nông nghiệp ở những vùng ngoại ô. Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại: - Thu nhận nước thải quanh năm - Thu nước thải theo mùa Trước khi đưa vào cánh đồng , nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác, bể lắng cát hoặc bể lắng. Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng công cộng và có ý kiến chuyên gia nông nghiệp. 2.2.3.3 Hồ sinh học Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn gọi là hồ oxy hóa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ không được thấp hơn 6ºC. Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ. Ngoài việc xử lý nước thải còn có nhiệm vụ: + Nuôi trồng thuỷ sản. + Nguồn nước để tưới cho cây trồng. + Điều hoà dòng chảy. Có các loại hồ sinh học sau đây: + Hồ kỵ khí. + Hồ kỵ hiếu khí + Hồ hiếu khí. 2.2.3.4 Bể lọc sinh học Nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật hoạt động ở màng sinh học, oxi hoá các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải. Có các loại sau: + Bể lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước. + Bể lọc sinh học có lớp vật liệu ngập trong nước. + Bể lọc sinh học có lớp vật liệu là các hạt cố định. + Đĩa quay sinh học RBC. 2.2.3.5 Bể xử lý sinh học bằng quá trình bùn hoạt tính (aerotank). Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinh vật oxy hoá chất hữu cơ có trong nước thải. Vị trí của bể aerotank là sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2. Nguyên tắc hoạt động: nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hoà tan và chất lơ lửng đi vào bể aerotank, tại đây các vi khuẩn và vi sinh vật trong bể chuyển hoá các chất hữu cơ phức tạp này thành các chất đơn giản hơn là các chất trơ không hoà tan và thành các tế bào mới. Có 2 quá trình sinh hoá xảy ra trong bể aerota._.nk là: + Quá trình tăng sinh khối của vi sinh vật. + Quá trình hoạt động của enzyme hay quá trình chuyển hoá vật chất hữu cơ có trong nước thải ở các bể aerotank. 2.2.3.6 Bể UASB Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ và quá trình phân huỷ xảy ra tích cực. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên các bọt khí sẽ vỡ và hạt bùn được tách ra và lắng xuống. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc dòng hướng lên phải ở khoảng 0.6-0.9m/h. 2.2.3.7 Bể lên men có thiết bị trộn và có bể lắng riêng (ANALIFT). Công trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hoàn. Giữa 2 thiết bị chính có đặt một thiết bị khử khí để loại khí tắc trong các cục vón. Bể phản ứng có lớp chống ăn mòn ở phía trong, có lớp cách nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn. Khuấy trộn bằn cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu không gỉ. Bể lắng coi như một thiết bị cô đặc, vì bùn tách ra có nồng độ cao và từ đây cho bùn hồi lưu trở lại bể phản ứng. Tỉ lệ bùn tuần hoàn khoảng 50-100%. Phương pháp này ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng, thích hợp đối với việc xử lý phân chuồng, xử lý các nước thải đặc như trong công nghiệp đồ hộp, cất cồn, công nghiệp hoá chất, bột giấy, đường. Hiệu quả của phương pháp: loại bỏ được BOD5 tới 80-95%, COD từ 65-90%. VAI TRÒ CỦA PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và được sử dụng bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó, mỗi phương pháp giúp loại bỏ một loại chất thải khác nhau: Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng để loại bỏ các tạp chất không tan, các loại tạp chất rắn có kích cỡ lớn có trong nước thải, bao gồm các tạp chất vô cơ và hữu cơ có trong nước thải như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì, giấy, cát sỏi, dầu mỡ… Ngoài ra còn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù khó lắng. Nó là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an toàn cho các công trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. Quá trình xử lý hoá học là sử dụng hoá chất giúp loại bỏ các loại vật chất lơ lửng phân tán rất nhỏ, hệ keo mà phương pháp xử lý cơ học không thể loại bỏ được hết. Ngoài ra còn giúp chuyển dịch pH nước thải về pH trung tính và làm lắng các muối kim loại nặng để tách chúng ra khỏi nước thải. Tuy nhiên, nếu các hợp chất hữu cơ trong nước thải được xử lý bằng phương pháp hoá học thì chi phí xử lý sẽ rất lớn và lại gây ra một số vấn đề về môi trường vì khi đó chất ô nhiễm không được xử lý mà chỉ chuyển từ dạng ô nhiễm này sang dạng ô nhiễm khác. Cho nên nếu xử lý các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp cơ học kết hợp với phương pháp hoá lý nói chung thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đó, để xử lý nước thải nhiều chất hữu cơ dạng keo và hoà tan thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học và hay gặp là phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí vì hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải cần xử lý là không quá cao. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải như hydratcacbon, protein, lipid… và một số hợp chất vô cơ như: H2S, sulfite, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hoà tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH Phương pháp xử lý sinh học có thể chia thành 2 loại chính: - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong môi trường được cung cấp oxy liên tục. - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kỵ khí: các vi sinh vật hoạt động trong môi trường không có oxy. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hoá sinh hoá. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo tụ và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính sau: Chuyển các chất 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 hoá các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Tốc độ quá trình oxi hoá sinh hoá phụ 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 hoá là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxi trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng. Điều kiện áp dụng phương pháp sinh học vào xử lý nước thải phải thoả mãn: Nước thải không có chất độc hại làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải. Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật (hydratcarbon, protein, lipit hoà tan). Tỉ số COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0.5 thì có thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học. Ngoài ra cần phải chú ý chọn quần thể vi sinh vật thích ứng với từng loại nước thải. 3.2 CÁC VI SINH VẬT THAM GIA VÀO QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Ở mỗi loại nước thải thường có những vi sinh vật đặc trưng riêng, phụ thuộc chủ yếu vào thành phần vật chất có trong nước thải. Phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hoá sinh hoá, chúng có tác dụng làm giảm chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy. Trong nước thải số lượng và chủng loại vi sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhất là các chất hữu cơ hoà tan trong nước, các chất độc, pH của môi trường, những yếu tố quyết định đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật như các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng của chúng. Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp. Nước càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi và sinh trưởng được thì sự phát triển của vi sinh vật càng nhanh.tuy nhiên, không phải tất cả các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hoá trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện môi trường không còn thích hợp cho hoạt động của các loài vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh vật trong hệ thống xử lý tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hoá và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. Trong nước thải có rất nhiều loại vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virus, thực khuẩn thể… nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Đặc biệt nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm, rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trong nước là rất lớn. Trong số này chủ yếu là vi khuẩn, chúng đóng vai trò phân huỷ các chất hữu cơ, cùng với các khoáng chất khác dung làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải. 3.2.1 Vi khuẩn (Bacteria). Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý vì nó chịu trách nhiệm phân huỷ các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể phân huỷ bằng vi sinh trong điều kiện hiếu khí, 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. Theo quan điểm hiện đại (NCBI – National Center for Biotechnology Information, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây: Aquificae, Thermotogae, Thermodesulfobacteria, Deinococcus, Thermus, Chrysiogenetes, Chloroflexi, Nitrospirae, Defferribacteres, Cyanobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Planetomycetes, Chlamydiae/Nhóm Verrucomicrobia, Spirochaetes, Fibrobacteres/Nhóm Axitobacteria, Bacteroidetes/ Nhóm Chlorobia, Fusobacteria, Dictyoglomy. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hoá, sinh thái. Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ từ 0.3 - 1μm, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si và Mg . Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đôi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối với 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đôi tế bào. Trong điều kiện chất dinh dưỡng, oxi, pH và nhiệt độ môi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15 ÷ 30 phút. Các vi khuẩn trong nước thải có thể chia làm 4 nhóm lớn: nhóm hình cầu (Cocci) có đường kính khoảng 1 ¸ 3 mm; nhóm hình que (Bacillus) có chiều rộng khoảng 0,3 ¸ 1,5 mm chiều dài khoảng 1 ¸ 10,0 mm (điển hình cho nhóm này là vi khuẩn E. coli có chiều rộng 0,5mm chiều dài 2 mm); nhóm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc (Spirilla), vi khuẩn hình que cong có chiều rộng khoảng 0,6 ¸ 1,0 mm và chiều dài khoảng 2 ¸ 6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn ốc có chiều dài có thể lên đến 50 mm; nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 mm hoặc dài hơn. Các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng,làm sạch nước thải trong vòng tuần hoàn vật chất. Vi khuẩn được chia thành 2 nhóm chính: Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hoá, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân huỷ cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân huỷ sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò rất đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân huỷ hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đó. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxi để đồng hoá. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxi hoà tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxi hóa. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxi hoà tan trong nước, những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân huỷ gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất có mùi khó chịu. Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxi hoà tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ nghi. Ngược lại cũng tồn tại một loài vi khuẩn kỵ khí, khi có oxi hoà tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quen được với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí tuỳ nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxi hoà tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân huỷ chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 - 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên không phải tất cả các loại vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hoá, một vài trong số chúng là loài gây hại, trong đó có hai loài vi khuẩn tiêu biểu có hại cho hệ thống. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (Filamentous) là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở cho quá trình lắng, làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hoá, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxi trong hệ thống. Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm 2 loại như sau: - Vi khuẩn dị dưỡng (heterotroph): sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng và phát triển tế bào. - Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): có khả năng oxi hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrate hoá, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh… 3.2.2 Virus và thực khuẩn thể Virus là những sinh vật cực nhỏ (kích thước khoảng 20 ÷ 100 nm). Chúng không có cấu tạo tế bào, thành phần hoá học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và acid nucleic, virus chỉ chứa ADN hoặc ARN, không thể sống độc lập mà phải sống kí sinh vào tế bào chủ. Mỗi virus có một loại tế bào chủ tương ứng, virus bám vào tế bào chủ rồi xâm nhập vào nội bào, phần acid nucleic được giải phóng ra khỏi vỏ bọc. Virus có nhiều dạng: virus của động vật có hình quả cầu, hình trứng (virus đậu gà), hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gậy…virus thực vật có hình quả cầu hay hình que dài (virus đốm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virus trong nước thải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. Thực khuẩn thể là virus của vi khuẩn, có khả năng làm tan các tế bào vi khuẩn rất nhanh. Thực khuẩn có hình dáng giống quả chuỳ, phần đuôi cán có sợi móc để bám vào vỏ của tế bào vi khuẩn, rồi làm tan một lỗ nhỏ trên vỏ tế bào, phần acid nucleic bên trong của virus sẽ nhanh chóng xâm nhập vào nội bào. Trong nước thải thường có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, kèm theo có cả những thực khuẩn thể tương ứng với từng loại vi khuẩn đó. Do đó khi thấy có thực khuẩn thể trong nước thải người ta có thể kết luận được sự có mặt của vi khuẩn tương ứng. 3.2.3 Vi nấm (Fungi) Nấm có cấu tạo cơ thể đa bào, hiếu khí, và thường thuộc loại cơ thể sinh vật dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH thấp. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. Các giống nấm thường gặp trong nước thải là Saplogeria và Leptomus. 3.2.3.1 Nấm men Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, chúng có hình dạng không ổn định, thường là hình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài. Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn, kích thước trung bình của nấm men là dài 9 - 10μm và rộng 2 - 7μm. Nấm men phân huỷ các chất hữu cơ hạn chế hơn nhưng chúng có thể lên men được một số đường thành rượu, acid hữu cơ, glycerin trong điều kiện kị khí và phát triển tăng sinh khối trong điều kiện kị khí. 3.2.3.2 Nấm mốc Nấm mốc được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng không phải là thực vật cũng không phải là động vật nên chúng hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men. Nấm mốc có khả năng phân huỷ được các chất hữu cơ khó phân huỷ như xenlulozơ, hemixenlulozơ và lingnin. Nói chung vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác khi không cung cấp đủ oxi và nitơ hoặc khi pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. 3.2.4 Tảo (Algae) ánh sáng Tảo là nhóm vi sinh vật tự dưỡng quang hợp, có diệp lục và có khả năng sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Qúa trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau: CO2 + PO4-3 + NH4+ tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2 Trong nước giàu nguồn N và P, đặc biệt là P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, Nguồn CO2 có thể do vi sinh vật hoạt động trong nước, phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành cung cấp cho tảo hoặc từ không khí. Tảo có tầm quan trọng trong quá trình xử lý sinh học bởi 2 lý do: Trong thuỷ vực chúng có khả năng tạo ra oxy qua quá trình quang hợp là sự sống của hệ sinh thái môi trường nước. Đối với ao hiếu khí hoặc ao oxy hoá kỵ khí không bắt buộc hoạt động hiệu quả thì tảo là cần thiết cho việc cung cấp oxy cho vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí. Mặc dù tảo không phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic…làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu nâu. Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có nhiều mùi khó chịu như mùi cỏ, mùi thối… 3.2.5 Nguyên sinh động vật (Protozoa) Bên cạnh nhóm vi khuẩn thì nhóm nguyên sinh động vật cũng góp phần quan trọng trong các quá trình xử lý nước thải. Chúng thuộc vào nhóm động vật sống trôi nổi trong nước,có cấu tạo cơ thể đa bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate và Ciliate. Các nguyên sinh động vật này có thể được coi như là các chất chỉ thị của nước thải, vì sự có mặt của chúng có nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước thải. Các nguyên sinh động vật còn ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các hệ thống xử lý sinh học và tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh trong nước thải. 3.3 QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng của quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lí diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “ phát triển”. Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển. Trong nước thải và quá trình xử lí nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần có trong môi trường các chất hữu cơ có thể đồng hoá làm cơ chất dinh dưỡng: ở nước thải được biểu thị là BOD, COD và các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho, các yếu tố khoáng khác như K, Mg, Ca…và các yếu tố vi lượng như Fe, Cu, Zn, Mn…Các chất khoáng và vi lượng này thường có đủ trong nước thải sinh hoạt. Các nguồn C, N, P dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng của vi khuẩn thường theo tỉ lệ BOD: N: P = 100: 5: 1 là điều kiện thuận lợi nhất cho vi khuẩn phát triển và tăng sinh khối bình thường. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian sinh sản trong thế hệ của vi khuẩn thường là 20 phút đến vài ngày. Chúng sinh sản cho đến khi điều kiện môi trường thay đổi, các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài giá trị tối ưu thì sinh sản sẽ bị ngừng lại. Quá trình sinh trưởng của tế bào chia thành 5 giai đoạn: Giai đoạn làm quen (pha tiềm phát). Giai đoạn sinh sản theo cách phân đôi tế bào theo cấp số nhân (pha phát triển theo logarit pha số mũ). Giai đoạn chậm dần (pha sinh trưởng chậm dần). Giai đoạn ổn định (pha ổn định). Giai đoạn suy giảm (pha suy vong).Thôøi gian Giaù trò log cuûa soá löôïng vi khuaån Giai ñoaïn phaùt trieån chaäm Giai ñoaïn taêng tröôûng theo quy luaät logarit Giai ñoaïn oån ñònh Giai ñoaïn cheát theo logarit Hình 3.1: Ñöôøng cong bieåu dieãn caùc giai ñoaïn phaùt trieån cuûa vi khuaån veà soá löôïng theo thang logarit. 3.3.1 Giai đoạn làm quen Vi khuẩn vào môi trường chưa sinh sản ngay mà còn cần một thời gian làm quen với môi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất. X = X0 X: mật độ tế bào ở thời điểm t. X0: mật độ tế bào ở thời gian t = 0. Tốc độ sinh trưởng = 0 → 3.3.2 Giai đoạn phát triển theo số mũ. Các tế bào vi khuẩn sinh sản theo cách phân đôi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất không hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là không đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đó có được đường cong hàm số mũ). Ta có phương trình sau: Với μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại hoặc log Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1 → tg = 3.3.3 Giai đoạn chậm dần Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp, phát triển chậm dần là do trong môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hoá chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng lại giảm. 3.3.4 Giai đoạn ổn định. X (mật độ tế bào) đạt tới trị số cực đại Xmax. Sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn còn hoạt động chuyển hoá nào đó. 3.3.5 Giai đoạn suy vong. Ở giai đoạn này các cất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỉ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân huỷ nội sinh hoặc hô hấp nội bào và bị tự phân. Các giai đoạn và các phương trình biểu diễn sự phát triển từng giai đoạn áp dụng cho cả môi trường hiếu khí và kị khí. Gía trị của các thông số phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của môi trường vi sinh vật sống. CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuôi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhóm chất chủ yếu: protein 40 – 50%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acid amin. Hydratcacbon bao gồm các chất đường, bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật, còn xenlulozơ bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ cũng chậm hơn rất nhiều. Chất béo ít tan bị vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải có khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ không bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, có trong nước thải vào khoảng 105 – 109 tế bào/ml. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ trước hết chúng phải có khả năng tiết ra các enzyme tương ứng. Muốn thuỷ phân protein, các vi sinh vật phải tạo ra enzyme proteaza, thuỷ phân tinh bột là các enzyme thuộc họ amilaza, thuỷ phân chất béo là enzyme lipaza…Sản phẩm thuỷ phân là các chất đường đơn, các acid amin, các acid béo… và năng lượng. Đó là các sản phẩm có khối lượng phân tử thấp có thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Qúa trình này gọi là quá trình phân huỷ ngoại bào hay quá trình thuỷ phân. Các chất này được tiếp tục phân huỷ hoặc chuyển hoá thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào thường gọi là quá trình nội bào, đó thực chất là các quá trình oxi hoá – khử sinh học (quá trình hô hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. 4.2 HOÁ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phóng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hoá) có thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào): Quá trình này xảy ra bên ngoài tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản có khối lượng phân tử nhỏ hơn để có thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất. - Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau: + Nếu có nhiều oxy: (C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu có ít oxy: n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đó được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin. Protein Enzyme phân giải Protein ngoại bào Polypeptide Olygopeptid Peptidaza Acid amin - Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phóng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phóng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo. CH2OOCR1 CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OH Glyxerin Acid béo Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ có thể biểu diễn ngắn gọn như sau: Các chất hữu cơ trong nước thải Lipid Hydratcacbon Protein Acid béo Đường đơn Acid amin Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hoá Quá trình oxi hoá – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hoá – khử này gồm có 2 cấu tử: nhóm chính và nhóm phụ. Nhóm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ có oxy và nước mà các phản ứng oxy hoá khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hoá – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí có chuỗi hô hấp nội bào. Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thoái hoá của các chất glucid, lipid và protein. Nó được hình thành do sự β – oxi hoá acid béo, do sự oxy hoá của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hoá hiếu khí glucose. Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hoá hoàn toàn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phóng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phóng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình). Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hoá học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hoá qua chuỗi hô hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phóng được tích trữ ở các phân tử ATP. Toàn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2. Các chất hữu cơ trong nước thải Hydratcacbon Lipid Protein Đường đơn Acid béo Amino acid Acetyl CoA Chu trình Krebs CO2 H2O Năng lượng Pyruvate Hình 4.2 Tiến trình oxy hoá sinh học của vi khuẩn 4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.3.1 Các nhóm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân Các nhóm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và có khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhóm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất. Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật có thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hoà tan, có cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này có thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đó, một số chất nền phức tạp khác là những chất không tan được hoặc ít tan, có cấu trúc phức tạp và không thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được._.