Nghiên cứu phương pháp sinh học xử lý nước thải Nhà máy bia

của thế kỷ XX vấn đề bảo vệ môi trường là mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước và các tổ chức trên thế giới. ở Việt Nam nền công nghiệp tuy chưa phát triển mạnh nhưng do khó khăn về kinh tế, vốn đầu tư và ý thức của con người nạn ô nhiễm môi trường sinh thái cũng đã và đang trở thành vấn đề bức xúc. Các nhà máy công nghiệp của Việt Nam hầu như chưa có sự quan tâm đúng mức đến vấn đề chất thải, rất ít nhà máy có hệ thống xử lý nước thải hoặc có thì cũng hoạt động theo kiểu đối phó. Những năm qua do nhu cầu của thị trường, ngành công nghiệp bia phát triển khá nhanh. Ngoài các nhà máy bia lớn thì hầu hết các địa phương trong cả nước đều có từ 1 dến vài chục dây chuyền bia thủ công. Do vốn đầu tư ít, thiếu công nghệ, lại chỉ quan tâm đến lợi nhuận, nước thải các dây chuyền bia này hầu như không được xử lý mà đổ thẳng ra sông, đồng ruộng, góp phần đáng kể vào nạn ô nhiễm môi trường ở nước ta. Theo luật môi trường mới được ban hành và theo các tiêu chuẩn của Việt Nam do bộ khoa học công nghệ và môi trường ban hành, việc làm trên của các cơ sở sản xuất là vi phạm luât. Để góp phần giải quyết các khó khăn của các cơ sở sản xuất nhỏ khắc phục tình trạng trên chúng tôi đặt vấn đề: ((Nghiên cứu phương pháp sinh học xử lý nước thải nhà máy bia)). Đề tài được thực hiện tại Phòng Công nghệ Lên men Viện công nghệ sinh học- trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia. Phần I: Tổng quan I- Đặc điểm và phân loại nước thải 1.1. Nước thải công nghiệp Nước thải công nghiệp: Là nước của các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp. Nó không có tính chất chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành sản xuất. Tuỳ thuộc vào từng ngành sản xuất và giải pháp công nghệ, trang thiết bị mà mức độ ô nhiễm của nước thải công nghiệp và các ngành sản xuất rất khác nhau. Nồng độ chất hữu cơ, nguồn gây ô nhiễm bẩn chính dao động rất lớn. COD của nước thải công nghiệp ở một số ngành như công nghiệp giấy, công nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp dệt, công nghiệp thuộc da... Có thể 1000- 20000 mg/l. Bản chất của các chất hữu cơ trong nước thải của các ngành sản xuất cũng rất khác nhau, có loại dễ phân huỷ (tỷ lệ BOD/COD ³ 0,5), như nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm rượu, bia, đường, bánh ,kẹo... có loại khó phân huỷ như nước thải của nhà máy giấy, phân xưởng nhuộm của các nhà máy dệt... Mức độ ô nhiễm của nước thải công nghiệp ngoài chất hữu cơ còn có chứa những thành phần khác gây độc hại đối với môi trường như kim loại nặng, các hợp chất lưu huỳnh, Nitơrat...Trên quan điểm tác động lên môi trường người ta chia nước thải thành các dạng sau:. + Nước thải ô nhiễm bẩn: Là nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ lớn, nhưng dễ phân huỷ. Loại nước thải này dễ dàng xử lý bằng các phương pháp sinh học [2,5,6,7]. + Nước thải độc là nước thải tuy chứa chất hữu cơ thấp nhưng có chứa các thành phần khác. Độc đối với môi trường như các kim loại nặng, các ion NO, SO., S- ... Loại nước thải này thường phải xử lý bằng các phương pháp hoá lý [4,8,9]. + Nước thải độc và bẩn : là nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao và khó phân huỷ như các hợp chất clo hữu cơ, các chất hữu cơ mạch vòng và đồng thời cũng có thể có cả các hợp chất vô cơ độc [12,11,10]. Cách phân loại nước thải như trên có ý nghĩa rất quan trọng, nó giúp cho các nhà sản xuất xác định chính xác phương pháp xử lý triệt để nước thải. Một đặc điểm chung của nước thải công nghiệp là lưu lượng ổn định, tập trung nên dễ thu gom xử lý. Tuy nhiên nếu các nhà máy không xử lý trước khi thải ra môi trường nó có thể gây ra ô nhiễm ở diện rộng. 1.2. Nước thải của một số ngành khác 1.2.1. Nước thải trong sản xuất nông nghiệp Thành phần : Gồm phân bón (có thể vô cơ, hữu cơ ), hoá chất dùng trong nông nghiệp thường là thuốc diệt cỏ, côn trùng, thuốc kích thích sinh trưởng ... tất cả những dư chất này kéo theo vào nước thải nông nghiệp làm ô nhiễm nguồn nước. Đặc trưng của nước thải này tuy không có mùi, nhưng có thể độc. Mức độ ô nhiễm của nước thải nông nghiệp dao động phụ thuộc vào mùa vụ, thời kỳ sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu... Một đặc trưng cơ bản của nước thải nông nghiệp là lưu lượng không ổn định, không tập trung nên khó thu gom để xử lý. Mức độ ô nhiễm ở diện rộng, chính nước thải nông nghiệp là nguyên nhân gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm[8,9]. 1 2.2. Nước thải sinh hoạt khu dân cư Thành phần của nước thải rất phức tạp vì nguồn nước thải sinh hoạt trong cộng đồng là nguồn nước các khu dân cư, vùng thương mại, khu vực cơ quan bệnh viện, khu vui chơi, giải trí ... Nước thải này, giàu chất hữu cơ, chủ yếu là hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, chất rắn lơ lửng, nhiều chất tạo keo, hàm lượng NH4+, P2O5 cao. Đặc biệt nước thải sinh hoạt có ô nhiễm vi sinh vật rất lớn, trong đó có cả vi sinh vật gây bệnh như colifom, fecacform... Lưu lượng nước thải sinh hoạt cũng không ổn định phụ thuộc vào mật độ dân cư, thời gian sinh hoạt, điều kiện sống của các khu dân cư ... Nước thải sinh hoạt có vùng tập trung và cũng có vùng phân tán vì vậy việc xử lý cũng rất khó khăn. ở các đô thị lớn của các nước phát triển có quy hoạch tốt thì nước thải sinh hoạt thường được tập trung về khu vực xử lý của thành phố. ở Việt Nam nước thải sinh hoạt hầu như chưa được xử lý kể cả ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh... Trong số các nguồn ô nhiễm do nước thải gây ra thì đáng chú ý là nguồn nước thải bệnh viện. Nước thải này có các thành phần gây hại rất lớn cho môi trường như dư lượng của các chất kháng sinh, vi sinh vật gây bệnh, chất tẩy... Vì vậy việc xử lý gặp nhiều khó khăn. Thường với loại nước thải này phải có chế độ xử lý đặc biệt không nên tập trung vào dòng nước thải sinh hoạt của thành phố [8]. 1.3. Đặc trưng của nước thải nhà máy bia Công nghiệp rượu bia là ngành sản xuất sử dụng nước rất lớn. Định mức nước dùng cho công nghiệp phụ thuộc vào mức độ cơ giới hóa, tự động hoá và quy mô của nhà máy. ở Việt Nam những năm gần đây công nghiệp bia phát triển khá mạnh. Sản lượng bia bình quân đầu người tăng từ 2-3 lít/ người/ năm, trước đây lên 6-8lít/người/ năm. Ngoài các nhà máy bia lớn như Sài Gòn, Hà Nội và một số các nhà máy bia vừa như Halida, Huda, Tiger... Thì hàng loạt các dây chuyền thủ công ở các địa phương được xây dựng trong những năm 1980-1990. Đối với các nhà máy bia lớn như bia Hà Nội định mức tiêu thụ nước khoảng 15-20m3/1000 lít bia, còn dây chuyền thủ công lượng nước sử dụng vào khoảng 25-30m3/1000 lít bia. Trên thế giới định mức nước sử dụng vào khoảng 8-11m3/1000 lít bia. Điều đó cho thấy lưu lượng nước thải của nhà máy bia là rất lớn. Trên thế giới một số nước người ta áp dụng phương pháp hồi lưu nước để giảm định mức nước sử dụng xuống còn 4-6m3/1000 lít bia do đó giảm lưu lượng nước thải xuống còn 2,5-6m3/1000 lít bia [8]. Nước thải nhà máy bia là một trong những loại nước thải công nghiệp có mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ cao, COD từ 1000-3000mg/l, BOD từ 800-1500mg/l . Ngoài ra nước thải nhà máy bia còn chứa nhiều chất rắn lơ lửng là các bã của tinh bột, malt, xác men, dịch lên men, bã thải... Làm cho nước thải có độ đục cao, pH dao động trong khoảng từ 4,5-7,0.Có thể suy kiềm(trong trường hợp tây rửa tec). Ngoài ra một số nhà máy sản xuất bia lon trong nước thải có chứa kim koại như hợp chất nhôm, kẽm, đồng... Tuy nhiên nước thải nhà máy bia là loại dễ phân huỷ sinh học vì trong nước thành phần chất hữu cơ chứa chủ yếu là các hydrat cacbon, protein, nước thải nhà máy bia có pH từ axit đến trung tính hoặc hơi kiềm. Vì có hàm lượng chất hữu cơ cao nếu không xử lý môi trường khu vực chứa nước thải dễ xảy ra phù dưỡng. Tỷ lệ BOD/ COD > 0,5, do đó sử dụng biện pháp xử lý sinh học có thể làm sạch triệt để nước thải của nhà máy. Như vậy, trên cơ sở các thành phần của nước thải, người ta có thể đánh giá độ ô nhiễm bẩn của nước thải và các đặc trưng của nó bằng cách đưa ra một số chỉ tiêu cơ bản. 1.4. Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá độ ô nhiễm nước thải Các chỉ tiêu của nước thải là tập hợp các đặc điểm, tính chất và hàm lượng các thành phần khác nhau [8,9,14,17,18,19,21]. Các chỉ tiêu được phân loại thành các nhóm sau: + Chỉ tiêu cảm quan : màu, mùi, độ đục. + Chỉ tiêu hóa lý: pH, to, oxy hoà tan, nồng độ các chất lơ lửng (SS), nồng độ chất hoà tan (TS), lượng cacbon tổng số (TC) ... + Chỉ tiêu sinh hoá bao gồm : Nhu cầu oxy hoá học (COD), nhu cầu oxy sinh hoá (BOD) nồng độ ức chế hô hấp của vi sinh vật 50% (IC50), nồng độ gây chết (LC50) ... Tất cả các chỉ tiêu trên cho phép đánh giá tác động của nước thải đối với môi trường sinh thái đồng thời tìm phương pháp xử lý có hiệu quả. 1.4.1. Các chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ có trong nước thải có tác động mạnh nhất đến sự ô nhiễm của nước thải và ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ oxy hoà tan trong nước khi thải ra môi trường dẫn đến làm giảm khả năng phân huỷ tự nhiên của hệ vi sinh vật làm cho môi trường sinh thái mất khả năng phục hồi. Một số chất hữu cơ ngoài khả năng gây ô nhiễm bẩn còn có khả năng gây ô nhiễm độc như các hợp chất clo hữu cơ, photphat hữu cơ... Những chất này thường khó phân huỷ và thông qua chuỗi thức ăn sẽ gây độc trực tiếp đến cho người, chúng có khả năng gây bệnh ung thư, các biến đổi về gen dẫn đến các dị tật ở người và động vật. Các chất hữu cơ trong nước thải được đánh giá qua chỉ tiêu (TC) tổng lượng cacbon có trong nước thải tức là các chất hữu cơ được quy về cacbon. Tuy nhiên chỉ tiêu này không nêu lên được bản chất của chất hữu cơ có trong nước thải. Thành phần chất hữu cơ có trong nước thải thường rất phức tạp nó phụ thuộc vào nguồn gốc của nước thải [20]. Bảng 1. Các chất hữu cơ thường gặp và mối liên quan đến nguồn gốc của nước thải Chất hữu cơ Nguồn gốc nước thải Hydratcacbon chất beó Nước thải sinh hoạt thương nghiệp, công nghiệp Hydro cacbon Nước thải nhà máy lọc dầu, nhà máy cơ khí Thuốc trừ sâu Nước thải nông nghiệp Phenol Nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm chè ,cà phê... Protein Nước thải công nghiệp lò mổ, thuộc da. Các hợp chất clo hữu cơ Nước thải nhà máy giấy, nông nghiệp Các hợp chất hydro cacbon mạch vòng Nhà máy lọc dầu Trong số các chất hữu cơ người ta phân ra các chất hữu cơ dễ hoà tan (Hydrat cacbon, protein, phenol...) Các chất khó tan tạo nhũ (dầu, mỡ, dầu mỏ) các chất dễ bay hơi (xăng, este..) Các chất huyền phù (tinh bột xenlulo...) 1.4.2. Các chất vô cơ Các chất vô cơ thường có trong nước thải công nghiệp như công nghiệp hoá chất, công nghiệp tuyển quặng, công nghiệp gia công, chế tạo cơ khí. Trong các chất vô cơ thì đáng chú ý là hàm lượng các kim loại nặng bởi vì chúng là những yếu tố gây độc cho môi trường sinh thái. Chỉ tiêu đặc trưng tổng số các chất vô cơ có trong nước thải là độ tro. Độ tro là lượng cặn còn lại sau khi đã bay hơi hết nước thải và đốt cặn thu được ở 165oC sau 2 giờ. Một số chất vô cơ ở dạng phi kim loại được xác định theo các phương pháp riêng[4,8]. 1.4.3. Nhu cầu oxy hoá học COD (Chemical oxygen demand) Nhu cầu oxy hoá học COD là đại lượng đặc trưng cho các chất khử (cả hữu cơ và vô cơ) có trong nước thải được oxy hoá bởi các chất hoá học, oxy hoá mạnh như K2Cr2O7 hoặc KMnO4... Nó được tính bằng mg O2 dùng để oxy hoá các chất khử có trong một đơn vị thể tích nước thải. Thông thường các chất khử dạng vô cơ có thể xác định được bằng các phương pháp hoá học khác do đó hiệu của COD tổng số với nhu cầu oxy để oxy hoá các chất vô cơ đã biết có trong nước thải sẽ cho ta gía trị hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải. Các phương pháp xác định COD đã được chuẩn hoá theo quốc tế bao gồm các phương pháp sau: + Phương pháp bicromat hồi lưu kín + Phương pháp bicromat hồi lưu hở + Phương pháp permanganat (ít sử dụng) Trong đó phương pháp bicromat hồi lưu hở được dùng phổ biến hơn. Phương pháp hồi lưu kín thường được dùng để xác định COD của nước thải có chứa nhiều chất dễ bay hơi [17,18,21]. Bản chất của phương pháp bicromat được thể hiện ở phương trình sau 6e- (của chất khử) + 14H+ + Cr2O72- = 2Cr2+3 + 7H2O Phần lớn các hợp chất hữu cơ (95-100%) dưới tác dụng xúc tác của Ag2SO4 và H2SO4 đều bị oxy hoá bởi K2Cr2O7 tạo thành CO2, H2O và NO2- nếu trong các chất khử có chứa N2. 1.4.4. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD5 (Fiveday-Biochemical demand) Nhu cầu oxy sinh hoá là lượng oxy (mg) xử dụng để oxy hoá các hợp chất hữu cơ có trong 1 lít nước thải trong điều kiện kín ở 20oC, không có ánh sáng do các quá trình sinh hoá bởi vi sinh vật hiếu khí thực hiện. Thường chỉ tiêu BOD được xác định sau 5 ngày nuôi vi sinh vật nên chỉ số này được biểu thị BOD5, BOD5 chiếm khoảng 65-70% BOD toàn phần của nước thải (BODƠ) BODƠ được xác định sau khoảng 15-20 ngày nuôi vi sinh vật. Để xác định chỉ tiêu này nước thải phải được pha loãng ở mức độ sao cho lượng oxy hoà tan có trong nước đủ để oxy hoá toàn bộ các chất hữu cơ có trong nước thải. Chỉ số nồng độ oxy hoà tan ban đầu và sau khi nuôi trong nước sẽ cho ta lượng oxy cần thiết để oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Một điều dễ thấy là sản phẩm của quá trình oxy hoá các chất hữu cơ là CO2 và H2O và sinh khối vi sinh vật. Sinh khối vi sinh vật tạo thành chiếm khoảng 25% chất hữu cơ bị oxy hoá, do đó chỉ số BOD5 thường chỉ chiếm 60-70% tổng chất hữu cơ có trong nước thải. Ngoài ra nhiều trường hợp trong nước thải có chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ như các hợp chất clo hữu cơ, cacbua hydro mạch vòng, poly- phenol ... làm cho chỉ số BOD thấp hơn nhiều so với tổng lượng chất hữu cơ. Trong thực tế người ta thường sử dụng chỉ tiêu tỷ lệ BOD/COD để đánh giá mức độ độc của nước thải. Nước thải có tỷ lệ BOD/COD 0,5 dễ xử lý bằng phương pháp sinh học. 1.4.5. Chỉ tiêu LC50 (Lethal concentration) Là chỉ tiêu rất cơ bản để đánh giá độ độc của nước thải đối với hệ sinh thái môi trường. LC50 là liều lượng gây chết 50% sinh vật thử ở thời điểm xác định, tương ứng với nồng độ chất thử hoặc nồng độ nước thải trong môi trường. Để xác định chỉ tiêu này người ta phải sử dụng phương pháp thử "test" sinh học với các sinh vật kiểm định đã được tiêu chuẩn hóa như bèo tấm [8], cá [19]. 1.4.6. Chất rắn tổng số TS (Totalsolute) Là lượng chất còn lại của nước thải sau khi được sấy khô ở 105oC đến trọng lượng không đổi. 1.4.7. Hàm lượng chất rắn huyền phù SS (Supended Solides) Là lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải được xác định bằng cách ly tâm hoặc lọc và sấy đến khối lượng không đổi ở 105oC. II. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải 2.1. Vi sinh vật và đặc tính của vi sinh vật Vi sinh vật là những cơ thể vô cùng nhỏ bé chỉ có thể quan sát được ở dưới kính hiển vi. Trong nước thải cũng có mặt của quần thể vi sinh vật rất phong phú, bao gồm tất cả các chủng loại vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, coliform. Đó là những vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải và có khả năng sử dụng những hợp chất hữu cơ có trong nước thải như nguồn dinh dưỡng. Để nghiên cứu khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nước thải của vi sinh vật, phải tìm hiểu những đặc điểm sinh lý, sinh hoá của chúng . Các chất hữu cơ trong nước thải là một hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất có cấu tạo hoá học rất khác nhau. Vì vậy khi xử lý nước thải không thể sử dụng đơn thuần một loài vi sinh vật mà phải sử dụng tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau. Tuỳ thuộc vào thành phần của từng loại nước thải, tỷ lệ các loài vi sinh vật và số lượng sử dụng chúng trong xử lý cũng khác nhau. Tuy nhiên với nước thải công nghiệp thông thường thì các loài vi khuẩn vẫn chiếm ưu thế [2,3,7,10,14,15,16]. 2.2. Nhu cầu dinh dưỡng và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật 2.2.1. Nhu cầu dinh dưỡng của sinh vật Vi sinh vật sử dụng các chất dinh dưỡng làm vật liệu xây dựng tế bào và nguồn cung cấp năng lượng. Sự phát triển của vi sinh vật phụ thuộc vào nguồn cacbon và nguồn dinh dưỡng khác. * Nguồn cacbon: Nguồn cacbon là nguồn cung cấp dinh dưỡng chủ yếu cho vi sinh vật. Nguồn cacbon có hai chức năng : Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của vi sinh vật, cung cấp nguyên liệu cho quá trình xây dựng tế bào. Dựa vào đặc điểm dinh dưỡng của vi sinh vật đối với nguồn cacbon, người ta chia vi sinh vật ra thành 2 nhóm. -Vi sinh vật dị dưỡng: Là nhóm vi sinh vật phổ biến trong tự nhiên. Các vi sinh vật này sử dụng chủ yếu là các nguồn cacbon hữu cơ. Chúng đóng vai trò quan trọng trong chu trình cacbon của tự nhiên.[1,2] - Vi sinh vật tự dưỡng: là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ cho cơ thể từ CO2 và H2O [1]. * Nguồn dinh dưỡng Nitơ . Nitơ là nguyên tố thứ hai sau (C) giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Là thành phần không thể thiếu của một số các hợp chất hữu cơ trong vật chất sống như prôtein axit amim, enzim, các bazơ nitơ. Trong tự nhiên Nitơ tồn tại dưới nhiều dạng hợp chất khác nhau. Khả năng sử dụng các hợp chất Nitơ của các vi sinh vật khác nhau. Vi sinh vật có thể sử dụng được các hợp chất Nitơ hữu cơ ( pepton, cao men, bột đậu...) và hợp chất Nitơ vô cơ. * Nguồn dinh dưỡng muối khoáng. Các nguyên tố khoáng trong hợp phần tế bào vi sinh vật chiếm tỷ lệ không cao nhưng có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Trong môi trường nhân tạo thì khoáng chất thường được đáp ứng bằng các khoáng chất có trong nguyên liệu. Nhu cầu về các nguyên tố khoáng của các vi sinh vật khác nhau, thay đổi theo đặc tính của từng loài, tuổi sinh lý của tế bào và theo điều kiện của môi trường. Trong số các chất khoáng thì quan trọng nhất là photpho (50% khoáng khô), thành phần không thể thiếu được của axít nucleotít, phopho lipit, các hợp chất cao năng. Nguồn cung cấp photpho cho vi sinh vật chủ yếu là photpho vô cơ (K2HPO4, KH2PO4). Ngoài ra Mg là nguyên tố đa lượng tham gia vào thành phần của các enzim, oxy hoá khử nhất là các enzim trong chuỗi hô hấp và riboxom. Nguồn Mg dùng phổ biến trong nuôi cấy sinh vật là các muối: MgSO4.7H2O, MgCl2. Canxi là nguyên tố quan trọng trong quá trình phát triển của tế bào, tham gia vào quá trình điều chỉnh pH, có mặt trong thành phần của một số enzim . Khi xử lý nước thải bằng vi sinh vật cần phải nghiên cứu nồng độ các chất phù hợp với đặc điểm sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Nếu vượt ra ngoài khoảng đó, sinh trưởng của vi sinh vật có thể bị ức chế. Ngoài các nguyên tố trên vi sinh vật còn cần các chất vi lượng (Co, Ni, Cu, Mo, B...) với chức năng là các chất kính thích sinh trưởng, điều chỉnh các hoạt động sinh lí sinh hoá của tế bào. Để sinh trưởng và phát triển một số loài vi sinh vật cần có các loại vitamin như B1, B2, B12, D, H... 2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sống của vi sinh vật ảnh hưởng của nước và nồng độ các chất dinh dưỡng . Nước đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống của vi sinh vật. Nước hoà tan các chất dinh dưỡng nhờ đó mà chất dinh dưỡng dễ dàng thẩm thấu qua màng tế bào để cho vi sinh vật sử dụng. Nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước phải phù hợp với đặc điểm sinh lý của tế bào. Nồng độ các chất dinh dưỡng cao quá mức giới hạn tế bào sẽ mất nước, nguyên sinh chất trong tế bào bị keo tụ lại làm hoạt động trao đổi chất bị ngưng trệ. Ngược lại trong nước cất tế bào bị trương lên do xảy ra hiện tượng thẩm thấu của nước qua màng tế bào làm cho tế bào bị vỡ. Tỉ lệ các chất dinh dưỡng có ảnh hưởng lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật. Mỗi loài vi sinh vật cũng có nhu cầu khác nhau về tỷ lệ các chất dinh dưỡng. Tỷ lệ C : N : P phổ biến cho nhiều loài là 100 : 10 : 1. * Nhiệt độ : Mỗi loại vi sinh vật có độ giới hạn nhiệt độ phát triển thích hợp khác nhau. Đối với mỗi loại vi sinh vật có các giới hạn nhiệt độ phát triển tối thiểu (Tomin), nhiệt độ phát triển tối đa (Tomax) và nhiệt độ phát triển thích hợp (Toopt) . Nấm mốc, xạ khuẩn có To opt phổ biến từ 26-30oC, nấm men có Toopt vào khoảng 30-37oC. Trong khi đó ở vi khuẩn có sự khác biệt rất lớn về Toopt. Phần lớn vi khuẩn có Toopt 30-37oC , có nhiều loài vi khuẩn có Toopt thấp 10-20oC (vi sinh vật ưa lạnh) và có nhiều loài Toopt khá cao lớn 50-60oC (vi sinh vật ưa nhiệt). Trong xử lý nước thải hầu như việc điều chỉnh nhiệt độ không thể thực hiện được mà thường xử lý ở nhiệt độ tự nhiên của môi trường. Vì vậy người ta thường chọn các loại vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên của khu vực để chúng có khả năng thích nghi với nhiệt độ môi trường tự nhiên. * pH: Cũng tương tự như nhiệt độ pH cũng là yếu tố ảnh hưởng lớn đến tốc độ sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật có pH phát triển tối ưu từ 5,5-7,5 có một số loài phát triển tối ưu ở pH thấp (8). ở pH không thích hợp hệ enzim của vi sinh vật hoạt động yếu hoặc bị bất hoạt do đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Để vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tốt cần duy trì pH thích hợp trong suốt thời gian nuôi cấy . * oxy hoà tan : Mối quan hệ của vi sinh vật đối với oxy rất khác nhau. Vi sinh vật hiếu khí cần oxy để sinh trưởng và phát triển. Vi sinh vật yếm khí oxy lại là tác nhân gây độc. Nhóm vi sinh vật trung gian giữa hai nhóm này là nhóm hiếu khí tuỳ tiện. Trong xử lý nước thải ở các bể aroten cần cung cấp đủ oxy để vi sinh vật hiếu khí oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải. Còn xử lý yếm khí thì lại tiến hành trong các bể kín để oxy không tan được vào trong nước thải gây ức chế các vi sinh vật yếm khí. 2.3. Quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Trong nuôi cấy vi sinh vật người ta đã xác định quá trình phát triển, sinh trưởng của chúng gồm bốn pha: * Pha tiềm phát: Là pha thích nghi của vi sinh vật với môi trường nuôi cấy. ở pha này tế bào đang ở trạng thái nghỉ được trương dần lên do nước và chất dinh dưỡng thẩm thấu qua màng tế bào. Số lượng tế bào của vi sinh vật ở pha này hầu như không tăng lên, nhưng sinh lý sinh hoá của tế bào thay đổi mạnh. Các enzim nội bào được hoạt hoá và quá trình trao đổi chất bắt đầu diễn ra. Tuỳ từng loại vi sinh vật pha tiềm phát có thể ngắn hay dài, thông thường với vi khuẩn pha tiềm phát thường kéo dài khoảng 2-4h còn ở nấm men, nấm mốc pha tiềm phát thường kéo dài từ 4-6h. * Pha log: Sau khi pha tiềm phát kết thúc vi sinh vật bắt đầu phát triển mạnh , số lượng tế bào tăng theo số mũ. Cơ chất được vi sinh vật sử dụng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong môi trường giảm nhanh. Đối với vi khuẩn pha log thường kéo dài khoảng 8-10h nấm mốc, xạ khuẩn khoảng 20-24h, nấm men 12-16h. * Pha cân bằng: Khi nồng độ các chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn dần tốc độ của vi sinh vật cũng chậm lại và đạt mức cân bằng. ở pha này số lượng tế bào hình thành và số lượng tế bào chết gần tương đương nhau. Đồ thị sinh trưởng có dạng nằm ngang và kéo dài cho đến khi các chất dinh dưỡng trong môi trường cạn kiệt. * Pha suy vong: Khi nguồn dinh dưỡng cạn kiệt số lượng tế bào sống giảm theo luỹ thừa, vi sinh vật giảm nhanh số lượng. Trong xử lý nước thải cần phải xác định thời điểm bắt đầu xuất hiện pha suy vong để kết thúc quá trình xử lý. Vì khi vi sinh vật chết tế bào bị phân huỷ các chất hữu cơ của tế bào hòa tan vào môi trường nước làm cho COD, BOD tăng lên gây hiện tượng tái ô nhiễm trở lại. III. Các phương pháp xử lý nước thải Để xử lý nước thải có rất nhiều phương pháp được sử dụng. Tuỳ thuộc vào đặc tính của nước thải và yêu cầu làm sạch của nước ở mức độ nào thì người ta chọn phương pháp xử lý thích hợp. Các phương pháp dùng để xử lý nước thải có thể phân chia như sau: Phương pháp cơ học Phương pháp hoá học Phương pháp hoá lý Phương pháp sinh học. Trong số các phương pháp trên thì phương pháp hoá lý và phương pháp sinh học được sử dụng nhiều nhất. 3.1. Phương pháp cơ học Phương pháp này chỉ sử dụng trong trường hợp nước thải có nồng độ các chất không hoà tan cao, lượng chất hoà tan thấp. Xử lý cơ học được tiến hành trong các bể lọc có các chứa các chất lọc như cát, sỏi, màng lọc... Đối với nước bị ô nhiễm dầu tràn với hàm lượng lớn người ta thường sử dụng phương pháp thu gom, vớt [8,9]. 3.2. Phương pháp hoá học Phương pháp này dựa trên các phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất trong nước thải với các hoá chất đưa vào. Những phản ứng này xảy ra là những phản ứng oxy hoá khử, phản ứng tạo kết tủa, và phản ứng phân huỷ. Phương pháp này nhờ quá trình oxy hoá khử, tách các tạp chất, chất mang tính độc có trong nước thải được chuyển thành các chất không độc, một phần ở dạng lắng cặn [8,9]. Các nhà khoa học Nhật Bản đã tìm ra phương pháp hữu hiệu để xử lý nước thải của các nhà máy rượu bằng cách xục ozôn để tạo ra kết tủa xốp dễ dàng tách ra khỏi nước thải[13]. Nước thải được xử lý bằng ozôn giảm tới 70-80% COD và được tiếp tục được xử lý sinh học, rút ngắn quá trình xử lý. Nước thải sau khi xử lý hoàn toàn sạch gần tương đương chất lượng nước uống. 3.3. Phương pháp hoá lý Các phương pháp hoá lý để xử lý nước thải công nghiệp đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình keo tụ, hấp thụ, hấp thụ trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hoá, dialyz qua màng bám thấm. Keo tụ: Sử dụng các chất keo tụ và các chất trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn ở dạng lơ lửng xuống. Nhờ quá trình này nước được làm trong và khử được mầu của nước thải. Tuyển nổi: Sử dụng các chất keo tụ nhẹ và trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn tạo thành bọt xốp thu hút chúng lại và kéo theo chúng nổi lên bề mặt nước để thu gom. Có thể tăng cường quá trình tạo bọt keo tụ bằng cách xục không khí vào hỗn hợp nước thải và chất keo tụ nhẹ. Hấp thụ và hấp phụ: Tách chất bẩn và khí hoà tan bằng cách liên kết các chất đó lên bề mặt chất rắn (hấp phụ). Các chất hấp phụ là những chất có hoạt tính bề mặt như bentônit, than hoạt tính, nhựa hấp phụ... Trích ly: Sử dụng các dung môi không tan trong nước và độ hoà tan chất bẩn lớn hơn độ hoà tan chất bẩn của nước. Sau đó tách dung môi và chất bẩn ra khỏi nước, cất thu hồi dung môi để loại chất bẩn. Cô chân không: Nước thải được đưa vào hệ thống cô để bay hơi, nước được tách ra dưới dạng ngưng tụ và được quay vòng lại sản xuất. Các chất khô còn lại được đưa vào hệ thống sấy khô có thể sử dụng như là các chất bổ xung vào thức ăn chăn nuôi. Dạng này sử dụng phổ biến ở các nhà máy sản xuất sinh khối nấm men với chu trình nước khép kín ở Liên Xô cũ như nhà máy Kirov [22]. Trao đổi ion: Là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi ion. Phương pháp này thường sử dụng để tách các ion kim loại nặng ra khỏi nước. Tách thẩm tích: Là phương pháp tách các chất bẩn ra khỏi nước bằng cách phân ly thẩm tích qua màng bán thấm. Đốt để thu hồi các hoá chất: Phương pháp này thường được sử dụng ở các nhà máy sản xuất bột giấy nấu sunphat. Dịch kiềm đen trong đó có chứa Na2S, NaOH và các chất hữu cơ được đưa vào lò hơi đốt cùng với than hoặc dầu để tạo ra năng lượng. Chất tro có chứa NaOH được tái sử dụng trong sản xuất. 3.4. Phương pháp xử lý sinh học Đây là phương pháp sử dụng phổ biến nhất để làm sạch nước thải, đặc biệt là đối với nước thải công ngiệp có chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ. Ưu điểm lớn của phương pháp này là rẻ tiền hiệu quả cao và làm sạch nước thải một cách triệt để đảm bảo tiêu chuẩn thải ra môi trường. Phương pháp sinh học được chia ra nhiều phương pháp dựa vào bản chất của quá trình sinh học. Theo cách phân chia này có phương pháp xử lý hiếu khí, phương pháp xử lý hỗn hợp, phương pháp yếm khí. Theo công nghệ xử lý người ta chia các phương pháp như sau: Phương pháp xử lý tự nhiên Phương pháp xử lý cưỡng bức. 3.4.1. Phương pháp xử lý tự nhiên Bản chất của phương pháp này là nước thải tự làm sạch ở các lưu vực chứa dưới tác dụng của vi sinh vật và các sinh vật thuỷ sinh có sẵn trong tự nhiên. Phương pháp này bao gồm: 3.4.1.1. Cánh đồng lọc Bản chất của phương pháp này là sử dụng khu hệ vi sinh vật tự nhiên có trong đất kết hợp với canh tác. Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao không phải đầu tư, không tốn năng lượng. Nhưng phương pháp này chỉ áp dụng với nước thải có độ ô nhiễm thấp, không độc với sản xuất nông nghiệp và chỉ áp dụng với các nhà máy ở gần khu vực sản xuất nông nghiệp, có hệ thống mương dẫn nước ra ngoài cánh đồng. Tuy nhiên phương pháp này ít sử dụng vì khó chọn được địa điểm thích hợp để xây dựng nhà máy. 3.4.1.2. Hồ sinh học Hồ sinh học là các lưu vực được đảm nhiệm luôn chức năng để xử lý nước thải bằng sinh học, nước thải trong hồ tự làm sạch trên cơ sở tác dụng của vi sinh vật tự nhiên kết hợp với các sinh vật khác chủ yếu là tảo và động vật nguyên sinh (protoroa). Ưu nhược điểm của phương pháp này: Ưu điểm: Vận hành đơn giản. Không đòi hỏi quản lý thường xuyên. Vốn đầu tư ít. Nhược điểm: Đòi hỏi ở diện tích rộng. Căn cứ vào đặc tính của vi sinh vật và cơ chế xử lý người ta chia làm 3 loại hồ: hồ kỵ khí, hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp, hồ hiếu khí. * Hồ kỵ khí: Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng phương pháp sinh hoá tự nhiên dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Loại hồ này thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp, có độ nhiễm bẩn cao, chiều sâu của hồ phải >4m. * Hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp Với hồ này thường gặp trong điều kiện tự nhiên phần lớn là ao, hồ. ở hồ này thường xảy ra 2 quá trình: quá trình ôxy hoá hiếu khí và phân huỷ kỵ khí. Hồ này hoạt động ở ba vùng khác nhau: Lớp trên là vùng hiếu khí, lớp giữa là vùng trung gian, lớp dưới là vùng kỵ khí, chiều sâu của hồ từ 2-3m. Nguồn ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá các hợp chất hữu cơ ở vùng hiếu khí chủ yếu là ôxy được giải phóng ra trong quá trình quang hợp của rong, tảo dưới tác dụng của bức xạ mặt trời, ôxy khuếch tán qua mặt nước dưới tác dụng của sóng gió. ở vùng kỵ khí các cặn bẩn hữu cơ được vi sinh vật kỵ khí phân huỷ tạo thành CO2 và H2O, H2 và các axit hữu cơ. Các hợp chất này khuếch tán lên phía trên và được vi sinh vật hiếu khí ở vùng trung gian sử dụng tạo thành CO2 được tảo ở lớp trên sử dụng trong quá trình quang hợp. * Hồ hiếu khí Quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí có trong tự nhiên, ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá chủ yếu cho sự khuếch tán không khí qua mặt nước và quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh (rong, tảo). Để đảm bảo ánh sáng cho lớp thực vật thuỷ sinh ở đáy hồ, độ sâu của hồ không lớn (0,6-1,2m). Hồ có tải trọng không cao khoảng 100-300 kg BOD/3 ngày. Thời gian lưu của nước thải 3-7 ngày phụ thuộc vào ._.