Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí

các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hoá sinh và tạo nên các tế bào mới. Vì vậy, có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống. Nước được dùng cho đời sống, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Sau khi sử dụng nước trở thành nước thải, bị ô nhiễm với các mức độ khác nhau. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ dân số và tốc độ phát triển cao của công nông nghiệp ... đã để lại nhiều hậu quả phức tạp, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước. Vấn đề này đang được nhiều sự quan tâm của mọi người, mọi quốc gia trên thế giới. ở nước ta hiện nay phần lớn nước được thải ra sông hồ mà chưa qua xử lý. Vì vậy, dẫn đến tình trạng các con sông đó bị ô nhiễm bốc mùi khó chịu, làm mất cảnh quan và ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ của con người. Hiện nay, người ta đã đưa ra nhiều phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt. Một trong những phương pháp đó là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ môi trường, trong bản khoá luận này bước đầu chúng tôi nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp yếm khí . Chương 1: tổng quan ô nhiễm môi trường nước và các phương pháp xử lý Cùng với sự phát triển của nền văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng nhiều, lượng nước công nghiệp cũng như lượng nước sinh hoạt thải ra đưa vào các nguồn nước tự nhiên ngày càng lớn, gây ô nhiễm đáng kể đến nước bề mặt và môi trường. Để đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ ô nhiễm nước cần dựa vào một số thông số cơ bản so sánh với các chỉ tiêu cho phép về thành phần hoá học và sinh học đối với từng loại nước sử dụng cho các mục đích khác nhau. Các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng nước là: độ pH, mầu sắc, độ đục, hàm lượng chất rắn, các chất lơ lửng (huyền phù ), các kim loại nặng, oxi hoà tan... và đặc biệt là hai chỉ số COD và BOD. 1.1. Các thông số biểu thị độ nhiễm bẩn của nước thải sinh hoạt Màu sắc[1,6] Màu sắc của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên. Màu sắc của nước ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm khi sử dụng nước có mầu trong sản xuất. Màu của nước là do: Các chất hữu cơ và phần chiết của thực vật gọi là mầu thực, màu này rất khó xử lý bằng phương pháp đơn giản. ví dụ các chất mùn humic làm nước có màu vàng, các loài thuỷ sinh, rong tảo làm nước có màu xanh. Các chất vô cơ là những hạt rắn có màu gây ra, gọi là màu kiến, màu này xử lý đơn giản hơn. Ví dụ, các hợp chất của sắt hoá trị +3 không tan làm nước có màu nâu đỏ. Cường độ màu của nước xác định bằng phương pháp so màu sau khi đã lọc bỏ các chất vẩn đục. Mùi vị [1] Nước sạch không màu, không mùi, khôngvị. Nếu nước có mùi vị khó chịu là triệu chứng nước bị ô nhiễm. Mùi vị trong nước gây ra do hai nguyên nhân chủ yếu sau: Do các sản phẩm phân huỷ các chất hữu cơ trong nước. Do nước thải có chứa những chất khác nhau, màu mùi vị của nước đặc trưng cho từng loại. Mùi của nước được xác định theo cường độ qui ước, ví dụ nếu mẫu nước có mùi nhẹ và pha loãng bằng nước sạch đến thể tích bằng 1:1; mà mùi biến mất thì chỉ số ngưỡng có mùi (TON) bằng 1, còn nếu pha loãng gấp đôi mùi mới biến mất thì chỉ số mùi bằng 2. Nếu pha loãng mùi gấp 4, 5, 8, 100...mùi mới biến mất thì chỉ số ngưỡng mùi tương ứng là 4, 5, 8 ... Độ đục [1] Nước tự nhiên thường bị vẩn đục do những hạt keo lơ lửng trong nước, các hạt keo này có thể là mùn, vi sinh vật, sét. Nước đục làm giảm sự chiếu sáng của ánh sáng mặt trời qua nước. Độ đục của nước được xác định bằng phương pháp so độ đục với một độ đục của một thang chuẩn. Nhiệt độ [1] Nguồn gốc ô nhiễm chính là nguồn nước thải từ các bộ phận làm nguội ở các nhà máy... Nhiệt độ trong loại nước thải này thường cao hơn 10 -200C so với nước thường. ở những vùng nhiệt đới như nước ta, nhiệt độ nước thải vào sông, hồ tăng sẽ làm giảm lượng oxy tan vào nước và tăng nhu cầu oxy của cá lên hai lần, tăng nhiệt độ còn xúc tiến sự phát triển của các sinh vật phù du. Nhiệt độ nước thường được đo bằng nhiệt kế. Chất rắn trong nước [1] Nước có hàm lượng chất rắn cao là nước kém chất lượng. Chất rắn trong nước gồm hai loại: chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan, và tổng hai chất rắn trên gọi là tổng chất rắn. Chất rắn lơ lửng thường làm cho nước bị đục, là một phần của chất rắn có trong nước ở dạng không hoà tan. Căn cứ vào tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng có trong nước, ta có thể xét đoán hàm lượng mùn, sét và những phần tử nhỏ khác có trong nước. Chúng có thể có hại vì làm giảm tầm nhìn của các động vật sống trong nước và độ dọi của ánh sáng mặt trời qua nước. Tuy nhiên nước có chất rắn lơ lửng là đất mùn ( như nước phù sa ) được dùng làm nước tưới cho nông nghiệp rất tốt. Để xác định tổng chất rắn lơ lửng, mẫu nước lấy về phải được làm ngay hoặc phải được bảo quản ở 4oC nhằm ngăn ngừa sự phân huỷ chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Lấy một thể tích nước nhất định, lọc qua giấy lọc đã biết khối lượng. Cặn trên giấy lọc đem sấy khô ở 105oC ( thường dùng 180oC ), cân và tính ra mg/l. Chất rắn hoà tan, mắt thường không nhìn thấy được, thường làm cho nước có mùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nước có màu. Các chất rắn tan trong nước thường là các chất khoáng vô cơ và đôi khi cả một số chất hữu cơ như các muối clorua, cacbonat, hiđrocacbonat, nitrat, sunfat, phôtphat... của một số kim loại như Na, K, Ca, Mg, Fe,...,các phân bón. Nước có hàm lượng các chất rắn hoà tan cao không dùng trong sinh hoạt được, không dùng để tưới trong nông nghiệp trong thời gian dài được vì sẽ gây mặn cho đất. Nước có chứa nhiều chất rắn tan có thể dẫn tới các vi sinh vật trong nước bị hoại sinh, oxi bị tiêu thụ nhiều và nước trở nên kị khí, dẫn đến hậu quả cá bị chết và do quá trình kị khí chiếm ưu thế nên giải phóng các bọt khí như CO2, NH3, H2S, CH4... làm cho nước có mùi. Nước có hàm lượng các chất tan lớn cũng không dùng được trong công nghiệp vì các chất rắn sẽ dẫn đến đóng cặn trong bể chứa, nồi hơi, máy móc, gây ra ăn mòn kim loại... Để xác định tổng hàm lượng các chất rắn tan trong nước, ta lọc mẫu nước qua giấy lọc băng xanh để tách những phần tử lơ lửng không tan trong nước. Lấy 250ml nước đã lọc, làm bay hơi trên bếp cách thuỷ đến cạn khô, sau đó sấy cặn ở 180oC, đem cân cặn và tính tổng hàm lượng chất rắn tan có trong nước ra mg/l. Độ dẫn điện [1] Các muối tan trong nước tồn tại ở các dạng ion nên làm cho nước có khả năng dẫn điện. Độ dẫn điện của nước phụ thuộc vào nồng độ, tính linh động và hoá trị của các ion ( ở nhiệt độ nhất định). Như vậy khả năng dẫn điện của nước phản ánh hàm lượng chất rắn tan trong nước. Để xác định độ dẫn điện người ta đo điện trở hoặc dùng máy đo độ dẫn trực tiếp với đơn vị là milisimen (mS). Độ dẫn điện của mẫu nước được so với độ dẫn điện của dung dịch chuẩn KCl. ở 25oC độ dẫn điện tương ứng của dung dịch KCl với các nồng độ khác nhau như sau : Dung dịch 0,001M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 141 mS Dung dịch 0,01M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 147,3 mS Dung dịch 0,05M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 666,8 mS Dung dịch 0,1M KCl có độ dẫn điện tương ứng là 1290,0 mS Độ cứng của nước [1] Độ cứng của nước do các kim loại kiềm thổ, chủ yếu là canxi và magie gây nên. Nước cứng thường không được gọi là ô nhiễm vì không gây hại tới sức khoẻ con người. Nhưng nước cứng lại gây nên hàng loạt các hậu quả: nước cứng pha chè không ngấm, xà phòng không tạo bọt vì xà phòng tạo kết tủa với ion Ca2+, Mg2+. Độ cứng có hai dạng : Độ cứng tạm thời do muối hidrocacbonat của canxi và magie tạo nên. Độ cứng này sẽ mất khi đun sôi nước vì các muối này bị phân huỷ tạo thành kết tủa, đó là dạng đóng cắn ở đáy và thành ấm đun nước. Độ cứng vĩnh cửu do các muối clorua, sunfat, nitrat của canxi và magiê tạo nên. Độ cứng thường được biểu thị bằng số milimol của các ion canxi và magiê có trong một lít nước (trước đây thường được biểu thị bằng số mg CaO/lit hay bằng số mg CaCO3 /lit). Để xác định độ cứng của nước người ta thường dùng phương pháp chuẩn độ complexom với dung dịch đệm NH3 + NH4Cl có pH =10. Với chất chỉ thị là Eriocrom T đen. Độ axit [1] Độ axit được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước tham gia phản ứng với kiềm mạnh (NaOH hay KOH). Độ axit của nước được xác định bằng lượng kiềm được dùng để trung hoà nước. Đối với các loại nước thiên nhiên thường gặp, độ axit của nước phụ thuộc vào lượng CO2 trong nước. Các chất mùn và các axit hữu cơ có trong nước cũng tạo nên một phần độ axit của nước thiên nhiên. Trong tất cả các trường hợp đó, pH của nước thường không nhỏ hơn 4,5. Đối với nước thải, chứa các loại axit mạnh tự do chứa các muối tạo bởi axit mạnh và bazơ yếu sẽ dẫn đến độ axit của nước cao. Trong những trường hợp này pH của nước không lớn hơn 4,5. Để xác định độ axit của nước, người ta chuẩn độ nước bằng dung dịch chuẩn NaOH hay KOH, lượng dung dịch kiềm tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chỉ thị là metyl da cam tương ứng với lượng axit tự do của nước, còn nếu dùng chất chỉ thị là phenolphtalein thì tương ứng với độ axit chung của nước. Nếu pH của nước ³ 8,3 thì độ axit của nó bằng không. Độ kiềm [1] Độ kiềm được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước phản ứng với các axit mạnh. Để xác định độ kiềm của nước người ta sử dụng phương pháp chuẩn độ nước bằng dung dịch axit mạnh. Đối với nước thiên nhiên, độ kiềm của nó phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng muối cacbonat, hidrocacbonat của các kim loại kiềm thổ. Trong trường hợp này pH của nước thường ³ 8,3. Để xác định độ kiềm của nước, người ta chuẩn độ mẫu nước bằng dung dịch chuẩn HCl, lượng dung dịch axit tiêu tốn cho quá trình chuẩn độ với chất chị thị là phenolphlalein (pHtđ) tương ứng với lượng kiềm tự do chất chỉ thị là metyl da cam (pHtđ = 4,5). Tương ứng với độ kiềm toàn phần của nước. Để xác định độ pH của nước người ta thường dùng máy đo pH. Oxi hoà tan trong nước (DO: dissoled oxygen) [1] Oxi tan trong nước rất ít. Độ tan bão hoà của oxi trong nước sạch ở O0C vào khoảng 14-15 ppm (hay mg/l). Thông thường nước ít bão hoà oxi mà chỉ có 70-80% so với mức bão hoà. Đôi khi do các thực vật nổi và các loại thực vật sống trong nước thực hiện quá trình quang hợp mạnh nên giải phóng ra oxi nhiều làm cho oxi trong nước đạt trên mức bão hoà (200% gọi là siêu bão hoà ). ở các hệ sinh thái nước, trừ ban ngày có quá trình quang hợp xảy ra mạnh còn nói chung DO là nhân tố hạn chế và đôi khi gây nên tình trạng thiếu oxi và làm chết các sinh vật ở nước. Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nước, ví dụ khi có nhiều chất hữu cơ trong nước thì DO giảm đáng kể. Nước bình thường có giá trị DO là 14-16 mg/l, nếu thấp hơn giá trị này là nước ô nhiễm. Trị số DO cho biết mức độ ô nhiễm của nguồn nước, ví dụ khi có nhiều chất hữu cơ trong nước thì DO giảm đáng kể. Nước bình thường có giá trị DO là 14-16 mg/l, nếu thấp hơn giá trị này là nước ô nhiễm. 1.1.11. Nhu cầu oxi sinh hoá (BOD: Biochemical Oxygen Demand) [1] BOD là lượng oxi vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxi hoá các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật CO2 + H2O + sản phẩm cố định Oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hoà tan trong nước . Chỉ tiêu BOD là chỉ tiêu thông dụng nhất để đánh giá mức độ ô nhiễm của một nguồn thải. Nó biểu thị cho lượng chất hữu có thể bị phân huỷ bởi vi sinh vật . Chỉ số BOD cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ là chất bẩn có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn. Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy hoá hoàn toàn chất hữu cơ bởi vi sinh vật vì đòi hỏi phải phải có nhiều thời gian. Vì vậy để xác định gần đúng giá trị BOD người ta chỉ cần xác định trong 5 ngày và có kí hiệu BOD5. 1.1.12. Nhu cầu oxi hoá học (COD:Chemical Oxygen Demand) [1] COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hoá hoá học các chất hữu cơ có trong nước thành CO2 và H2O. COD là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước vì nó cho biết hàm lượng chất hữu cơ có trong nước. Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể oxi hoá bằng vi sinh vật, do đó giá trị COD bao giờ cao hơn giá trị BOD. Ngoài BOD và COD, người ta thường dùng một số chỉ số khác để đo hàm lượng các chất hữu cơ trong nước như: tổng cacbon hữu cơ (TOC- Total Organic Cacbon) và nhu cầu theo lý thuyết (ThOD: Theoretical Oxygen Demand) . TOC chỉ dùng được khi hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải tạo thành CO2 + H2O, nhưng đại lượng này chỉ tính được khi biết công thức hóa học của các chất hữu cơ, mà các chất hữu cơ có trong nước rất phức tạp nên không thể tính được nhu cầu oxy theo lý thuyết nhưng chắc chắn là: ThOD > COD > BODcuối > BOD5. Bảng1. Tiêu chuẩn chất lượng nước mặt – TCVN 5942 –1995 [5] STT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn A B 1 pH 6 – 8,5 5,5 – 9 2 BOD5 mg/l > 4 < 25 3 COD mg/l ≥10 ≥ 35 4 Oxi hoà tan mg/l ≥ 6 ≥ 2 5 Chất rắn lơ lửng mg/l 20 80 6 Asen mg/l 0,05 0,1 7 Bari mg/l 1 4 8 Cađimi mg/l 0,01 0,02 9 Chì mg/l 0,05 0,1 10 Crom (VI) mg/l 0,05 0,05 11 Crom (III) mg/l 0,1 1 12 Đồng mg/l 0,1 1 13 Kẽm mg/l 1 2 14 Mangan mg/l 0,1 0,8 15 Niken mg/l 0,1 1 16 Sắt mg/l 1 2 17 Thuỷ ngân mg/l 0,001 0,002 18 Thiếc mg/l 1 2 19 Amoni (tính theo N ) mg/l 0,05 1 20 Florua mg/l 1 1,5 21 Nitrat (tính theo N) mg/l 10 15 22 Nitrit (tính theo N) mg/l 0,01 0,05 23 Xianua mg/l 0,01 0,05 24 Phenol (Tổng số) mg/l 0,001 0,02 25 Dầu, mỡ mg/l Không 0,3 26 Chất tẩy rửa mg/l 0,5 0,5 27 Tổng hoá chất bảo vệ thực vật (trừ DDT) mg/l 0,15 0,15 28 DDT mg/l 0,01 0,01 29 Coliform MPN/100ml 5000 10000 30 Tổng hoạt độ phóng xạ Bq / l 0,1 0,1 31 Tổng hoạt độ phóng xạ Bq /l 10 1,0 Chú thích: – Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua quá trình xử lí theo quy định). – Cột B áp dụng đối với nước mặt dùng cho các mục đính khác. Nước dùng cho nông nghiệp và nuôi trồng thuỷ sản có quy định riêng. 1.2. Các phương pháp cơ-lý-hóa xử lý nước thải 1.2.1. Phương pháp lắng và đông tụ [3] Nước thải được đưa vào bể chứa lắng các chất rắn. Thông thường các chất lơ lửng lắng rất chậm hoặc khó lắng. Để tăng vận tốc lắng các chất này người ta dùng một số hóa chất sau làm tác nhân kết lắng. Phèn Al2(SO4)3. n H2O ( n = 13 -18); Sô đa kết hợp với phèn: Na2CO3 + Al2(SO4)3 ; Sắt sunfát FeSO4.7H2O; Nước vôi Ca(OH)2; Natri aluminat Na2Al2O4; Sắt (III) clorua và sắt (III) sunfat; Dùng phèn thì phản ứng tạo photphat kết lắng như sau: Al2(SO4) + 2 PO43- đ 2 AlPO4 + 3 SO42- pH tối ưu 5,6-8 Dùng vôi loại bicacbonat, cacbonat photphat và magie theo các phản ứng sau: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 đ 2 CaCO3 + 2 H2O Ca(OH)2 + H2CO3 đ CaCO3 + H2O Dùng sắt (III) clorua để tạo phôtphat FeCl3 +6H2O +PO43- đ FePO4 +3 Cl - + 6H2O Dùng natri aluminat để loại photphat Na2Al2O4 +2 PO43- +4 H2O đ 2AlPO4 + 2NaOH + 6OH- Những chất kết lắng thành bùn và trong bùn chứa nhiều hợp chất khó tan. Việc sử dụng bùn này làm phân bón có thể làm cho cây trồng khó tiêu hóa. 1.2.2. Phương pháp hấp phụ [3] Phương pháp này dựa trên nguyên tắc là các chất ô nhiễm tan trong nước có thể được hấp phụ trên bề mặt một số chất rắn ( chất hấp phụ). Các chất hấp phụ thường dùng trong mục đích này là than hoạt tính dạng hạt hoặc dạng bột, than bùn sấy khô hoặc có thể là đất sét hoạt tính diatomit, betomit. Các chất hữu cơ kim loại nặng và các chất màu dễ bị hấp phụ. Lượng chất hấp phụ sử dụng tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có ở trong nước. Phương pháp này có tác dụng tốt có thể hấp phụ được 85-95% các chất hữu cơ và màu. Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ. 1.2.3. Phương pháp trung hòa [3] Nước có độ axit cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm như với vôi, đá vôi đolomit hoặc dùng nước vôi trung hoà trực tiếp. Cũng có khi dùng dung dịch kiềm (NaOH hoặc Na2CO3 ) vào mục đích này. Nước thải có độ axít cao cần cho qua lọc với vật liệu lọc có tính kiềm như với vôi, đá vôi đolomit hoặc dùng nước vôi trung hòa trực tiếp. Cũng có khi dùng dung dịch kiềm ( NaOH hoặc Na2CO3 ) vào mục đích này. Nước thải có tính kiềm dùng axít kỹ thuật pha loãng để trung hòa. Trước khi trung hòa cần chuẩn bị và tính toán sao cho sau khi trung hòa được độ pH của nước mong muốn với lượng hóa chất vừa đủ. 1.2.4. Phương pháp dùng chất sát khuẩn [3] Nước thải sau khi xử lý bằng các biện pháp cần thiết trước khi đưa vào sông hồ hoặc các nguồn nước khác, cũng như quay lại để cấp nước sinh hoạt phải cần sát khuẩn. Chất sát khuẩn cần dùng và không gây độc hại là khí clo (Cl2). Việc clo hóa nhằm mục đích diệt các vi sinh vật tảo và làm giảm mùi của nước. Các hợp chất clo dùng ở đây là clo lỏng được chứa trong các bình thép (bom clo) vôi clorua có độ hoạt động của clo là 25 - 35% các hypoclorit NaOCl, Ca(OCl)2 vừa có hoạt tính của clo vừa có hoạt tính oxy hóa nên có thể phân hủy nhiều chất độc hữu cơ thành chất không độc. 1.2.5. Các bể chứa và lắng [3] Các bể này có thể là bể bê tông hoặc ao hồ được gia cố nền móng sao cho nước thải ít ngấm vào các tầng đất sâu. Nước thải vào các bể này và được lưu lại trong thời gian 2 - 10h . Thực tế đây là sự mô phỏng quá trình lắng đọng tự nhiên của nước trong các thủy vực. Sau thời gian 3 h thì hầu hết các chất rắn dễ lắng và 30 - 40% những chất rắn ở dạng lơ lửng huyền phù được lắng xuống đáy bể. Phần nước ở trên được đưa vào các qúa trình xử lý tích cực với các phương pháp lên men, hiếu khí, thiếu khí hoặc kị khí tùy tiện. Các phần lắng cắn tùy từng công đoạn có thể làm phân bón cho cây trồng hoặc đem thiêu hủy. 1.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 1.3.1. Nguyên lý chung [4] Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong qúa trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là qúa trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện qúa trình oxy hoá sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật. Theo quan điểm hiện đại nhất, qúa trình xử lý nước thải hay nói đúng hơn là việc thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp phụ các chất bẩn đó là một qúa trình gồm ba giai đoạn: Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào. Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và qúa trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và qúa trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong qúa trình xử lý nước thải. Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sơ khác nhau. Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau: xử lý sinh học hiếu khí và xử lý sinh học yếm khí 1.3.2. Phương pháp hiếu khí [2,4 ] Đây là phương pháp xử lý sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 đến 40 0C. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng hợp của quá trình oxy hoá sinh hóa ở điều kiện hiếu khí như sau: CxHy Oz N +(x+y/4- z/2 - 3/4) O2 vi sinh vật x CO2 + (y-3) /2 H2O + NH3 + DH (1) CxHy Oz N + NH3 + O2 vi sinh vật C5H7 NO2 + CO2 + DH (2) Trong phản ứng trên, CxHy Oz N là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật, DH là năng lượng. Phản ứng (1) là phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, còn phải ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào. Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hoá thì không đủ chất dinh dưỗng, quá trình chuyển hoá các chất của tế bào xảy ra theo giai đoạn sau: C5H7 NO2 + 5 O2 vi sinh vật 5 CO2 + NH3 + 2 H2O + DH NH3 + O2 vi sinh vật HNO2 + O2 vi sinh vật HNO3 Tổng lượng oxy tiêu tốn cho bốn phản ứng trên gần gấp hai lần lượng oxy tiêu tốn của hai phản ứng đầu. Từ các phản ứng trên thấy rõ sự chuyển hoá hoá học là nguồn năng lượng cần thiết cho các vi sinh vật. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ hiếu khí: pH: Đây là yếu tố có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình xử lý. Khoảng pH tối ưu cho quá trình xử lý thường là nằm gần vùng trung tính. Lượng oxy cung cấp cho quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào sự khuấy trộn, sục khí,...Lượng oxy cung cấp càng nhiều thì càng làm tăng tốc độ quá trình xử lý. Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa tăng. Trong thực tế nhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý được duy trì trong khoảng 20oC đến 30oC. Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng vi khuẩn sẽ bị chết, còn ở nhiệt độ thấp thì tốc độ xử lý sẽ giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường mới sẽ bị chậm lại. Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng: Để có phản ứng sinh hóa nước thải cần chứa các hợp chất của các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng. Đó là các nguyên tố N, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, ...Trong đó N, K, P là các nguyên tố chủ yếu. 1.3.3. Phương pháp yếm khí 1.3.3.1. Nguyên lý chung [2,3,4] Đây là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí. (CHO)nNS + O2 đ CO2 + H2O + sinh khối vi sinh + sản phẩm chính + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + năng lượng. ở điều kiện yếm khí sinh khối vi sinh vật được tạo thành ít, ngoài các chất trung gian tới (70%) có một sản được quan tâm nhiều là metan. Vì người ta cũng dựa vào qui trình này để thu metan và quá trình này còn được gọi là lên men metan. Các phương pháp yếm khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD = 4 á 5 g/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan...Những sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4 . Để xử lý nước thải người ta sử dụng quá trình lên men khí metan. Đó là quá trình phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn. Cơ chế của quá trình này chưa được biết đến một cách chính xác và đầy đủ. Nhưng người ta giải thích quá trình lên men khí metan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm ( hay pha metan). Trong pha axit. Các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tuỳ tiện và vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton đihydrosunfua, CO2, H2. Các vi khuẩn kị khí thường là vi khuẩn gram âm, không hình thành bào tử phân huỷ polysacarit để biến thành axit axetic, axit butyric và CO2. Có tới 30% số chủng loại đã phân lập có khả năng tạo thành hydro. Thành phần loài phụ thuộc vào sự thay đổi của môi trường. Khi có mặt xenlulo, các vi khuẩn sau đây sẽ chiếm đa số: Bacillus cereus, B. megateruim, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas riboflavina, Ps. reptilovora, Leptespira biflexa, Alcaligenes faecalis và Proteus vulgraris. Các vi khuẩn này đã được phân lập từ bể tiêu hoá kị khí sinh metan. Phế liệu giàu tinh bột tạo điều kiện cho Micrococcus candidus, M varians, M. urea, Bacillus cereus, B. megaterium và Pseudomonas spp sinh trưởng và phát triển. Phế liệu giàu protein thích hợp cho quần thể vi khuẩn sau đây: Clostridium, Bacillus cereus, B. circulans B. sphaericus, B. subtilis, Micrococcus varians, Escherichia coli, Baracolo beterium intermedium, Pseudomonas coliforme và Pseudomonas spp. Dầu béo thực vật kích thích sinh trưởng của Micrococcus, Bacillus, Streptomyces, Alcaligenes và Pseudomonas tại các bể tiêu hoá kị khí. Trong số vi khuẩn phân huỷ protein, cần chú ý đến giống Clostridium. Chúng có khá nhiều trong nước thải chứa protein. Các loài thuộc giống này kị khí, phân huỷ rất mạnh protein và chia thành 3 nhóm: Clostridium nhóm I (Clostridium butylicum) phân huỷ trực tiếp tinh bột, sinh axit axetic chủ yếu là axit butylic. Clostridium nhóm II phân huỷ protein sinh axit izovaleric và axit axetic. Clostridium nhóm III (Clostridium perfringens), phân huỷ protein, không phân huỷ đường, thu nhận năng lượng từ chuyển hoá các axit amin. Bảng2. Một số vi khuẩn sinh axit hữu cơ Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (toC) Sản phẩm Bacillus cereus 5.2 25 - 35 Axetic, lactic Bacillus knolfekampi 5.2 - 8.0 25 - 35 Axetic, lactic Bacillus megaterium 5.2 - 7.5 28 - 35 Axetic, lactic Bacteroides succinigenes 5.2 - 7.5 25 - 35 Axetic, sucxicnic Clostridium carnefectium 5.0 - 8.5 25 - 37 Formic, axetic Clostridium cellobinharus 5.0 - 8.5 36 - 38 Lactic, etanol, CO2 Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 -51 Formic, axeitc Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Lactic, sucxinic Clostridium dissolvens 5.0 - 8.5 35 - 51 Formic, axetic Clostridium thermocellulaseum 5.0 - 8.5 55 - 65 Lactic, sucxinic, etanol Pseudomonas 2 3 - 42 Lactic, axetic, lactic, sucxinic, etanol Ruminococcus sp 2 33 - 48 Formic, axetic, sucxinic Trong pha kiềm. Các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí chuyển hoá các sản phẩm trung gian trên tạo thành CO2 và CH4 . Những vi khuẩn này sống kị khí nghiêm ngặt, rất mẫn cảm với oxi, sinh trưởng và phát triển rất chậm. Vi khuẩn sinh metan được chia thành 4 giống theo hình thái và khả năng bào tử: Methanobacterium hình que, không sinh bào tử . Methanobacillus hình que, sinh bào tử . Methanococcus tế bào hình cầu, đứng riêng rẽ, không kết thành chuỗi. Methanosarsina tế bào hình cầu, kết thành chuỗi hoặc khối. Đặc điểm của quá trình sinh metan là do tác dụng của một quần thể vi khuẩn. Các loài vi khuẩn sinh metan nói chung có đặc tính gram âm, không di động, đa số sinh bào tử và kị khí rất nghiêm ngặt. Chúng có thể sử dụng NH3 làm nguồn nitơ. Chúng phát triển rất chậm. Sau khi cấy trên môi trường dinh dưỡng vài tuần mới phát triển thành những dạng hoạt động. Những vi khuẩn sinh metan rất nhạy cảm với môi trường, đặc biệt là rất bị ức chế bởi sự có mặt của các kim loại có trong môi trường. Nguồn cacbon của chúng là các hợp chất hữu cơ, vô cơ đơn giản, như các axit focmic, butiric, propionic, axetic, rượu metanol, etanol, khí H2, CO2, CO. Để các vi khuẩn metan phát triển bình thường trong môi trường cần phải có đủ CO2 và các chất chứa nitơ. Nếu trường hợp môi trường lên men thiếu thì phải bổ sung. Nguồn nitơ tốt nhất đối với vi khuẩn metan là amon cacbonat và amon clorua. Đặc biệt là vi khuẩn metan không sử dụng nitơ trong các axit amin. Để quá trình lên men tiến hành bình thường thì lượng nitơ cần thiết trong môi trường theo tỉ lệ sau: C/N là 20:1. Bảng 3. Một số vi khuẩn sinh metan Tên vi khuẩn pH Nhiệt độ (0C) Axit bị chuyển hoá Methanobacterium omelianskii 6,5 - 8 37 - 40 CO2, H2, rượu I và II Methanopropionicum Axit propionic Methanoformicum H2, CO2, formic axit Methanosochngenii Axit axetic Methanosuboxydans Axit butyric, axit valeric, caprionic Methanoruminanticum H2, axit formic Methanococcus vanirielii 1,4 - 9,0 Axit formic và H2 Methanococcuss mazei 30 - 37 Axit axetic, axit butyric Methanosarcina methanica 35 -37 Axit axetic, butyric Methanosarcina barkerli 7,0 30 CO2, H2, axit axetic, metanol Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hóa khử xảy ra một cách nhanh chóng và đồng bộ trong cùng một pha nên sự sắp xếp các phản ứng khi không có sự tham gia của oxy nêu trên chỉ mang tính quy ước. Nhu cầu oxy sinh học của toàn bộ quá trình gần như bằng không. Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. Phản ứng chính tạo thành metan có thể xảy ra như sau: CO2 + 4 H2A đ CH4 + 4 A + 2 H2O trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro. Cũng có thể xảy ra các phản ứng khác (khi có và khi không có hydro ): CO + 3 H2 đ CH4 + H2O 4 CO + 2 H2O đ 3 CO2 + CH4 Metan có thể được tạo thành do phân rã axit axetic: CH3COOH đ CH4 + CO2 CO2 + H2 đ CH4 + 2 H2O Trong qúa trình xử lý nước thải công nghiệp chứa SO42-, ở điều kiện yếm khí , vi khuẩn khử sunfat sẽ khử SO42- thành H2S như sau: 5 H2A + SO42- đ 5 A + H2S + 4 H2O Ngoài ra còn có cả quá trình đề nitrat hoá: 6 H2A + 2 NO3- đ 6 A + H2O + N2 Tóm lại quá trình lên men metan gồm ba giai đoạn: Giai đoạn lỏng hoá nguyên liệu đầu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinh dưỡng. Giai đoạn tạo thành axit: H2A đ các axit hữu cơ (CH3COOH, C2H5COOH, C3H7COOH) Giai đoạn tạo thành mêtan: Các axit hữu cơ đ CH4 + CO2 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất quá trình phân huỷ yếm khí tạo khí mêtan: Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố điều tiết cường độ của quá trình. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 350C. Như vậy quá trình có thể thực hiện ở điều kiện ấm (30 á 350C) hoặc nóng (50 á 550C). Khi nhiệt độ dưới 100C vi khuẩn tạo metan hầu như không hoạt động. Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn 7 á 9%. Tác dụng của khuấy trộn là phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng khi sản phẩm ra khỏi hỗn hợp lỏng – rắn. Tỷ số C/N: Tỷ số C/N tối ưu cho quá trình là (25 á 30). pH: pH tối ưu cho quá trình dao động trong phạm vi rất hẹp, từ 6,5 đến7,5. Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi, nên nếu pH giảm thì cần ngừng nạp nguyên liệu, vì nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên dẫn đến kết quả là làm chết các vi khuẩn tạo CH4. Ngoài ra phải kể đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn, thời gian lưu cần đủ để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và điều kiện không chứa các hoá chất độc, đặc biệt là._.