Nghiên cứu quá trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia có công suất 300 m3/ngày/đêm bằng aeroten

ảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian tôi làm khoá luận. Tôi cũng xin cảm ơn GS. TS Đào Hữu Ngọc và các thầy, cô giáo bộ môn trong khoa Công nghệ Sinh học - Vịên Đại học Mở Hà Nội đã truyền dạy cho em những kiến thức quý báu làm nền tảng cho việc hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Cuối cùng tôi xin được gửi tới cha mẹ, người thân và bạn bè lòng biết ơn sâu sắc - những người đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi về tinh thần cũng như vật chất trong suốt quá trình thực hiện khoá luận. Sinh viên Mai Thị Minh Ngọc Mục lục Mở đầu Hiện nay, ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nguồn nước nói riêng đang là vấn đề mang tính toàn cầu. Một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm là chất thải hữu cơ từ hoạt động sinh hoạt của con người, từ các ngành công nghiệp khác nhau như: công nghiệp chế biến rượu, bia, chế biến nông sản, chất thải sinh hoạt... ở Việt Nam, vấn đề nguồn nước bị ô nhiễm, nhất là ô nhiễm hữu cơ đang ngày càng gia tăng đáng báo động. Những năm gần đây, cùng với tốc độ đô thị hoá và phát triển đa dạng của các ngành công nghiệp, cũng kéo theo sự suy giảm chất lượng nguồn nước. Cũng như nhiều ngành công nghiệp khác, sản xuất bia gây tác động mạnh mẽ đến môi trường. Đây là một trong những ngành công nghiệp có lượng nước thải lớn (1 lít bia thành phẩm thải ra môi trường 20 lít nước) [11], chứa hàm lượng hữu cơ cao và có tải trọng ô nhiễm lớn. Do sản xuất không tập trung, các dây chuyền có công suất vừa và nhỏ có vốn đầu tư thấp nên hầu hết nước thải này không được xủ lý mà thải trực tiếp ra môi trường, cho nên gây ảnh hưởng lớn tới môi trường sinh thái và sức khoẻ cũng như cuộc sống của cộng đồng. Để góp phần làm sạch môi trường chúng tôi đặt vấn đề :"Nghiên cứu quá trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia có công suất 30m3/ngày/đêm bằng aeroten" với các nội dung nghiên cứu sau: - Điều tra tình hình nước thải của một nhà máy bia. - Phân tích các chỉ số trước khi xử lý. - Nghiên cứu xử lý nước thải bằng aeroten. - Thiết kế, tính toán mô hình xử lý nước thải từ các kết quả thực nghiệm thu được. Phần I. Tổng quan tài liệu 1. Phân loại và đặc tính của nước thải 1.1. Nước thải và phân loại nước thải Nước thải là nước được thải ra từ các hoạt động của con người. Có rất nhiều cách phân loại nước thải khác nhau tuỳ thuộc vào nguồn gốc, nguyên nhân phát sinh và các chất có mặt trong đó. Theo nguồn gốc nước thải có thể tạm chia làm hai loại sau [11, 13]: * Nước thải công nghiệp: Nước thải công nghiệp là nước thải của các cơ sở công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải. Nước thải công nghiệp có đặc điểm phụ thuộc vào từng ngành sản xuất: nước thải của xí nghiệp thuộc da ngoài chất hữu cơ còn có kim loại nặng, sunfua; nước thải của xí nghiệp ắc quy có nồng độ axit, chì cao; nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ... 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 ô nhiễm ở diện rộng. Nước thải nhà máy bia nằm trong nước thải công nghiệp thực phẩm. * Nước thải sinh hoạt: Nước thải sinh hoạt là nước thải của các khu dân cư, thương mại, khu vực cơ quan, bệnh viện, khu vui chơi giải trí... lưu lượng không ổn định, phân bố không tập trung. Nước thải này giàu chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, chất tạo keo, hàm lượng NH4+, PO43- cao, ô nhiễm vi sinh vật lớn, trong đó có thể có cả vi sinh vật gây bệnh... vì vậy việc xử lý gặp nhiều khó khăn. 1.2. Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá độ ô nhiễm nước thải [11,13,16,17,18,19] Nước thải bao gồm nước và một tập hợp nhất định các yếu tố vật lý, hoá học và sinh học. Vì thế, xem xét và đánh giá độ ô nhiễm của nó chính là xem xét và đánh giá bản chất và nồng độ của các hợp chất chứa trong nó. Các chỉ tiêu thường được dùng là: + Chỉ tiêu cảm quan: màu, mùi, độ đục. + Chỉ tiêu hoá lý: pH, to, oxy hoà tan, nồng độ các chất lơ lửng (SS), nồng độ chất hoà tan (TS), lượng cacbon tổng số (TS). + Chỉ tiêu sinh hoá: nhu cầu oxy hoá học (COD), nhu cầu oxy sinh hoá (BOD), nồng độ chất ức chế 50% vi sinh vật(IC50), nồng độ gây chết 50% sinh vật thử (LC50), thành phần vi sinh vật... 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. 1.2.1. Các chất hữu cơ [11, 18] Các chất hữu cơ trong nước thải là tác nhân chủ yếu gây ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng đến nồng độ oxy hoà tan trong nước. Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải càng cao thì lượng oxy hoà tan và khả năng phân huỷ sinh học của nó càng giảm. Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải được đánh giá bằng rất nhiều chỉ tiêu như TOC (cacbon hữu cơ tổng số), COD, BOD... Tuy nhiên các chỉ tiêu này đều tỷ lệ với nhau nên thông thường có thể sử dụng hai chỉ tiêu COD và BOD để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải. Tỷ lệ giữa BOD và COD cho biết lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học chiếm bao nhiêu trong tổng số các chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải. Trong nước thải, nhìn chung thành phần và tính chất của các hợp chất hữu cơ rất phức tạp và phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc của các loại nước thải đó. 1.2.2. Các chất vô cơ [2, 13] Các chất vô cơ có nhiều trong nước thải công nghiệp đặc biệt là các ngành công nghiệp hoá chất và cơ khí... Trong nước thải sinh hoạt lượng chất vô cơ chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng lại khá cân đối cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. 1.2.3. Hàm lượng chất rắn [13] Chất rắn là một trong những chỉ tiêu vật lý đặc trưng và quan trọng nhất của nước thải, bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan, và được xác định qua các chỉ tiêu: - Chất rắn tổng số (TS): phần cặn sấy khô sau khi bay hơi nước thải. - Chất rắn huyền phù (SS) : phần cặn sấy khô sau khi lọc hoặc ly tâm nước thải. Chất rắn huyền phù là nguyên nhân chủ yếu gây nên độ đục của nước thải. - Chất rắn hoà tan (DS): là hiệu số của TS và SS. - Chất rắn trong hỗn hợp chất lỏng- rắn huyền phù (MLSS): gồm bùn hoạt tính và chất rắn lơ lửng còn lại chưa được vi sinh vật kết bông. Thực chất đây là hàm lượng bùn cặn. - Chỉ số thể tích bùn (SVI): số ml nước thải đang xử lý lắng được một gam bùn trong 30 phút. 1.2.4. Lượng oxy hoà tan DO (Disolved Oxygen) [11, 13] Oxy hoà tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng nước. Nước càng sạch, nồng độ oxy hoà tan càng cao. Đây là chất khí không thể thiếu được trong quá trình sinh trưởng và phát triển của nhiều loại vi sinh vật. Oxy là chất khí khó hoà tan trong nước và không tác dụng với nước về mặt hoá học. Nồng độ oxy hoà tan trong nước phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và đặc tính của nước (nồng độ và thành phần hoá học của các chất hoà tan, vi sinh, sinh vật thuỷ sinh sống trong nước...). Nồng độ oxy hoà tan trong nước sạch nằm trong khoảng 7 - 8 mg/l ở điều kiện tiêu chuẩn. Khi thải các chất hữu cơ vào nguồn nước, vi sinh vật trong nước sẽ oxy hoá chúng, do đó làm giảm lượng oxy hoà tan trong nước, vì vậy DO cũng là chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ trong nước thải. 1.2.5. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD (Biochemical Oxygen Demand) [11, 13, 17, 18, 19, 20] BOD biểu thị lượng chất hữu cơ hoà tan trong nước có thể bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Vì thế, nhu cầu oxy sinh hoá là một trong những chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải. BOD được định nghĩa là lượng oxy được vi sinh vật sử dụng trong quá trình oxy hoá các chất hữu cơ. Quá trình này được biểu diễn như sau: VSV Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + năng lượng Thông thường chỉ số BOD được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 200C (BOD5). Trong một số trường hợp có thể xác định ở 300C trong ba ngày (BOD3). Tổng số các chất hữu cơ bị phân huỷ sinh học được xác định bằng chỉ số BODƠ thường vào khoảng 120 - 130% so với BOD5. 1.2.6. Nhu cầu oxy hoá học COD (Chemical Oxygen Demand) [13, 16, 19, 23] Chỉ số này được dùng để biểu thị hoá hàm lượng chất hữu cơ tổng số trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất hữu cơ trong nước thành CO2, H2O và các chất khử vô cơ bằng tác nhân oxy hoá mạnh. Vì vậy chỉ số COD có thể cao hơn nồng độ chất hữu cơ trong nước thải và luôn cao hơn chỉ số BOD. Phương pháp xác định COD phổ biến nhất hiện nay là phương pháp bicromat 1.2.7. Các chỉ tiêu khác Tuỳ theo mục đích và yêu cầu của công việc kiểm soát hoặc tái sử dụng mà người ta còn có thể xác định thêm một số chỉ tiêu khác như hàm lượng nitơ, hàm lượng photpho, hàm lượng sunfat, chỉ thị chất lượng về vi sinh vật như Coliform, Fecal coliform. 1.3. Nước thải của ngành công nghiệp bia 1.3.1. Sự phát triển của sản xuất bia ở Việt Nam Bia xuất hiện ở Việt Nam từ thời Pháp thuộc (1858). Thời kỳ đầu, bia chưa được sản xuất ở nước ta mà chỉ nhập vào nhằm phục vụ cho nhu cầu quân lính và kiều dân Pháp. Ngành công nhiệp bia chỉ thực sự được khai thác kể từ lần xâm lược thứ hai của thực dân Pháp nhằm mục đích sản xuất và kinh doanh. Nhà máy bia đầu tiên của Việt Nam mang tên Đông Dương (Bia Hà Nội). Do ảnh hưởng triền miên của chiến tranh, ngành công nghiệp của nước ta nói chung bị kìm hãm phát triển. Sau khi hoà bình lặp lại, miền Bắc bắt đầu khôi phục kinh tế, xây dựng cơ sở vật chất nhằm mục đích xây dựng chủ nghĩa xã hội. Trước năm 1989, sản xuất kinh doanh bia là một mặt hàng độc quyền của Nhà nước bao tiêu thông qua giá bao cấp, trong khi đó các doanh nghiệp chỉ cần lo tổ chức sản xuất, hình thành các chỉ tiêu pháp lệnh. Chính vì vậy, chất lượng sản phẩm không phụ thuộc quyền người sản xuất. Sản xuất kinh doanh trở nên thu động. Năm 1990, ngành công nghiệp bia có rất nhiều thay đổi trong khâu sản xuất lẫn bao tiêu sản phẩm, nhất là nền kinh tế nhiều thành phần thực sự bắt đầu. Các dây chuyền sản xuất bia thủ công phát triển mạnh,ngoài ra công nghệ nhập ngoại từ các nước Đan Mạch, Pháp, Đức, Tiệp... cũng tràn vào rất nhanh và với số lượng lớn, dần dần phá vỡ thế độc quyền của nhà nước, chất lượng sản phẩm được tăng cao. Sản xuất bia được xem như dẫn đầu trong chế biến sản phẩm. Lượng tiêu thụ bia tại Việt Nam tăng từ 0,4 lit/người (năm 1975) lên 1,5 lit/người (năm1990) [16]. Theo dự báo của liên hiệp rượu bia thì mức tiêu thụ bình quân đầu người ở Việt Nam trong vài năm tới có thể lên 7 lit/người/năm. Cả nước hiện nay có hai công ty sản xuất bia lớn nhất đó là Công ty bia Hà Nội và Công ty bia Sài Gòn. Ngoài ra trên cả nước, hầu hết các thành phố đều có nhà máy bia địa phương, các công ty liên doanh sản xuất bia và rất nhiều cơ sở sản xuất bia nhỏ với công suất cỡ 1000 lit/ngày. Ngành công nghiệp bia cũng là ngành tiêu thụ một lượng nước rất lớn. Định mức sử dụng nước phổ biến hiện nay là 20 m3/1000 lit bia [11], hay một lít bia thành phẩm thải ra khoảng 20 lít nước. Với sản lượng 700 triệu lít/năm hàng ngày lượng nước thải do sản xuất bia thải ra đã lên tới 446.648 – 460.000 m3/ngày, tương đương với 12 - 14 triệu m3/năm [11, 16]. Với lượng nước thải lớn, có độ ô nhiễm cao nếu không được xử lý sẽ là nguy cơ rất lớn đối với môi trường. Để hiểu rõ thêm những tác động đến môi trường của ngành công nghiệp bia, chúng ta cần xem xét các dòng thải liên quan đến quy trình công nghệ sản xuất bia. 1.3.2. Nước thải của sẩn xuất bia [11, 13] Sản xuất bia là công nghệ phức tạp có nhiều công đoạn kế tiếp nhau, lượng nước sử dụng cho từng công đoạn cũng khác nhau do đó lưu lượng của dòng thải và tính chất của dòng thải biến đổi theo các giai đoạn. Mặt khác sản xuất bia ở các tỉnh phía bắc phụ thuộc vào mùa vụ (tập trung chủ yếu vào mùa hè) nên lưu lượng thải cũng thay đổi theo thời gian (theo mùa, theo tháng và thậm chí theo ngày). Trong nước thải của công nghiệp bia gồm: protein, axit- amin, tinh bột, đường tan, pectin, xác nấm men, cặn... loại ra khi hoàn thiện sản phẩm. Sơ đồ dòng thải của quá trình sản xuất bia tại một cơ sở sản xuất lớn được mô tả ở hình 1 [11]. Tải lượng ô nhiễm của nhà máy bia Hà Nội được trình bày ở bảng 1. Bảng 1: Tải lượng của của chất ô nhiễm do sản xuất bia [16] Chỉ tiêu Hệ số ô nhiễm (kg/1000 lít bia) Tổng tải lượng (tấn/năm) COD 17,6190 8809,5 BOD5 12,1335 6066,75 SS 3,4474 1725,7 N tổng số 0,1577 78,85 P(PO43-) 0,7701 385,05 Hiện nay trong cả nước số nhà máy bia có hệ thống xử lý nước thải còn rất ít, có thể thống kê được: Nhà máy bia Việt Nam, Nhà máy bia Huda Huế ( có hệ thống xử lý bằng phương pháp keo tụ nhưng không hoạt động được do giá thành xử lý quá cao), Nhà máy bia Vinh. Trên toàn thành phố Hà Nội có trên 200 cơ sở sản xuất bia, lớn nhất là công ty bia Hà Nội với sản lượng 50 triệu lít/năm. Bia Ngọc Lâm 20 triệu lít/năm đều chưa có hệ thống xử lý nước thải. Nước thải công nghiệp bia là một trong những loại nước thải công nghiệp có mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ cao, COD từ 1000- 3000 mg/lít, BOD từ 800- 1500 mg/lít. 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 tẩy rửa tec). Một số nhà máy sản xuất bia lon trong nước thải còn chứa kim loại như hợp chất nhôm, kẽm, đồng... Tuy nhiên nước thải công nghiệp bia là loại dễ phân huỷ sinh học, Hình 1: Sơ đồ dòng thải trong sản xuất bia vì trong nước thành phần chất hữu cơ chứa chủ yếu là các hyđrat-cacbon, protein. Nước thải công nghiệp 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 phú dưỡng. Tỷ lệ BOD/COD > 0,5 do đó sử dụng biện pháp sinh học có thể làm sạch triệt để loại nước thải này. Các nguồn nước thải của công nghiệp bia được giới thiệu ở hình 1. 1.4. Các phương pháp sinh học xử lý nước thải Bản chất của phương pháp này là dựa trên hoạt động sống của các vi sinh vật có khả năng phân giải các chất hữu cơ hoặc vô cơ trong nước thải thành nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện các quá trình trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển. Ngoài ra ở một số trường hợp có sự tham gia của nấm (chủ yếu là nấm mốc), xạ khuẩn và động vật nguyên sinh (đóng vai trò ăn xác vi khuẩn chết, tạo màng nhầy làm keo tụ bùn khi kết lắng). Các vi sinh vật thường sử dụng trong xử lý nước thải chủ yếu là vi khuẩn (dị dưỡng hoại sinh), nấm và nguyên sinh động vật. Phương pháp sinh học thích hợp với các loại nước thải dễ phân huỷ sinh học (BOD/COD nằm trong khoảng từ 0,5 á 1). Thông thường các loại nước thải đưa vào xử lý sinh học phù hợp nhất là có BOD5 dưới 1000 mg/l. 1.4.1. Phương pháp kỵ khí (Anaerobic) [13, 22] Phương pháp kỵ khí thích hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ nhiễm bẩn cao với BOD >5000 mg/l, có khả năng thu hồi năng lượng (biogas) cao, chi phí vận hành thấp, thể tích công trình nhỏ chiếm ít diện tích mặt bằng.Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, phương pháp kỵ khí cũng có những nhược điểm là: Quá trình phân huỷ kỵ khí sinh ra nhiều khí độc, có mùi hôi thối gây ô nhiễm không khí như mercaptan, scatol, indol, H2S, NH3..., thời gian dài. Nguyên tắc của phương pháp này là dùng các vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tuỳ nghi để phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy hoà tan trong cặn hoặc trong nước thải ở điều kiện nhiệt độ thích hợp cho sản phẩm là CH4, CO2, N2, H2... Quá trình phân huỷ kỵ khí diễn ra trong vòng từ 3 á 6 tháng ở điều kiện thường, khi nhiệt độ lên tới 40 - 550C thời gian phân huỷ sẽ rút ngắn… Theo Eckenfelder W.W, quá trình lên men kỵ khí diễn ra theo các giai đoạn sau: + Giai đoạn 1: Lên men axit. + Giai đoạn 2: Chấm dứt lên men axit. + Giai đoạn 3: Lên men kiềm hay lên men metan. 1.4.2. Phương pháp thiếu khí (Anoxic) [13] Trong điều kiện thiếu oxy (hàm lượng oxy hoà tan vào khoảng 0,5 á 1 mg/l), các chất dinh dưỡng như N, P có trong nước thải sẽ bị phân huỷ. Phương pháp này chủ yếu dùng để khử nitrat hoá. Ta có thể biểu diễn dưới dạng phương trình sau: NO3- Desulfovibrio N2ư + O2 + Năng lượng 1.4.3. Phương pháp hiếu khí (aerobic) [1, 13] .Nguyên lý của phương pháp hiếu khí là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí dưới dạng bùn hoạt tính phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải ở điều kiện có oxy hoà tan liên tục cùng với nhiệt độ 20- 400C. Để có thể đạt hiệu quả cao trong xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí, người ta thường sử dụng bể aeroten sục khí hoàn chỉnh kết hợp với bùn hoạt tính hồi lưu. Bùn hoạt tính là một tập hợp các vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, vi rút... chủ yếu là vi khuẩn. Bùn hoạt tính có thể được tạo ra từ chính loại nước thải cần xử lý bằng cách bổ sung dinh dưỡng thích hợp. Nước thải khi mới được đưa vào hệ thống thải đã có sẵn một số lượng tế bào vi sinh vật nhất định. Sau một thời gian thích nghi và gặp điều kiện dinh dưỡng, nhiệt độ, pH... thuận lợi, các tế bào này bắt đầu sinh trưởng và phát triển rất mạnh. Các vi sinh vật sử dụng oxy có sẵn trong nước thải, oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ hoà tan, làm cho quần thể vi sinh vật tăng trưởng, trong đó các loài vi khuẩn sinh vỏ nhầy kết các bào tử vi khuẩn thành các sợi bông hoặc keo nhỏ. Các hạt sợi này kéo theo các phần tử lơ lửng chứa rất nhiều vi khuẩn hiếu khí, các chất huyền phù khó lắng, có thể còn kéo theo cả các ion kim loại có tính độc. Các hạt sợi nhầy hoạt tính có khả năng oxy hoá nhanh các chất hữu cơ thúc đẩy quá trình làm sạch nước thải. Sau một thời gian lơ lửng trong nước làm giảm BOD của nước thải, các hạt sợi nhầy phát triển to dần và thành khối nhầy lớn, lắng xuống thành bùn. Vì vậy, người ta dùng thuật ngữ "bùn hoạt tính" để gọi loại bùn đặc biệt này. Quá trình xử lý nước thải gồm 3 giai đoạn: ỉ 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. ỉ Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất trong và ngoài tế bào. ỉChuyển hoá các chất trong tế bào vi sinh vật cùng với sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới trong tế bào với sự hấp thu năng lượng. Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hoá sinh hoá ở điều kiện hiếu khí như sau: - Phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào: CxHyOzN + (x + y/4 - z/2 +3/4)O2 Vi sinh vật xCO2 + (y +3)/2H2O + NH3 - Phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào: CxHyOzN + NH3 + O2 Vi sinh vật C5H7NO2 + CO2 Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD của nước thải. Trong phản ứng trên, CxHyOzN là chất hữu cơ còn C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật. Vi sinh vật Amon hoá Tiếp tục tiến hành oxy hoá, tới thời điểm không đủ dinh dưỡng, sẽ xảy ra qúa trình hô hấp nội bào hay oxy hoá các chất liệu tế bào (tự oxy hoá - tự phân). C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O + DH Vi sinh vật Vi sinh vật Nitrat hoá Vi sinh vật Khử Nitrat Error! Not a valid link. 1.5. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải Nước thải khi mới thải ra đi vào bể chứa có thể ít về số lượng, nhưng sau một vài giờ nhất là ở điều kiện thích nghi (nhiệt độ 25- 300C, pH 6,5- 7,5 trong môi trường nhiễm bẩn có đủ chất dinh dưỡng đối với chúng và không có chất độc ức chế chúng), vi khuẩn bắt đầu sinh sản. Vi sinh vật tăng nhanh về số lượng nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản hữu tính và sinh sản nảy mầm, nhưng chủ yếu vẫn là sinh sản phân đôi. Thời gian tự phân đôi có thể dao động rất lớn: từ vài phút đến vài chục phút, sinh sản chỉ ngừng lại khi điều kiện về thức ăn, pH, nhiệt độ thay đổi ngoài giá trị tối ưu. Quá trình sinh trưởng của vi khuẩn trong nước thải được mô tả ở hình2. Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn vi khuẩn chết tăng trưởng ổn định theo logarit theo quy luật logarit Giai đoạn phát triển chậm Sinh trưởng và phát triển của hệ VSV Thời gian Hình 2: Đường cong biểu diễn sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong nước thải Quá trình sinh trưởng của quần thể vi khuẩn trong nước thải chia làm 4 pha: - Pha làm quen: mới đầu vi khuẩn chưa sinh sản ngay mà cần thời gian để thích nghi với môi trường. Thời gian này có thể là vài chục phút tới vài giờ. - Pha phát triển logarit: sau khi thích nghi, vi khuẩn bắt đầu sinh sản bằng cách phân đôi tế bào. Số lượng tế bào tăng theo cấp số nhân. Giai đoạn này sinh trưởng của vi khuẩn rất nhanh và được gọi là giai đoạn phát triển theo logarit. ở pha này các chất dinh dưỡng trong môi trường còn phong phú và các tế bào giàu ARN và các enzim được sản sinh ra phục vụ cho quá trình dị hoá chất hữu cơ và đồng hoá xây dựng tế bào mới. Nói chung ở pha này các tế bào chết chưa xuất hiện. - Pha ổn định: sinh trưởng ở cuối pha logarit chậm dần, chất dinh dưỡng cạn dần. Số lượng tế bào già chết đi bằng số tế bào sinh ra. - Pha suy thoái: ở pha này dinh dưỡng cạn kiệt, số lượng tế bào già chết đi nhiều hơn số tế bào mới sinh ra. Nếu không bổ sung dinh dưỡng, toàn thể quần thể vi khuẩn sẽ chết. 1.6. Bùn hoạt tính 1.6.1. Hệ vi sinh vật trong bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là một tập hợp các vi sinh vật phức tạp bao gồm vi khuẩn, nguyên sinh động vật, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, vi rut... nhưng chủ yếu là vi khuẩn. Bùn tốt có bông màu vàng nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 á5 mm, có khả năng hấp thụ lên bề mặt của nó và oxy hoá các chất khi có mặt oxy làm sạch nước thải [1]. Thành phần vi sinh vật của bùn hoạt tính gồm một số lượng lớn các loài như: Actinomyces, Bacillus, Corynebacterium, Escherichia, Pseudomonas, Sarcina. Bảng 2. Một số giống chính trong quần thể vi sinh vật hiếu khí trong bùn hoạt tính Vi khuẩn Khả năng phân huỷ Pseudomonas Hyđrat-cacbon, Protein, Nitrat, chất hữu cơ khác Arthobacter Hyđrat-cacbon Bacillus Hyđrat-cacbon, Protein Cytophaga Polysaccarit Nitromonas Nitrit Nitrobacter Nitrat Alcaginenes Protein Favobacterium Protein Corynebacterium Protein Escherichia Protein, hợp chất hữu cơ Sarcina Chất hữu cơ Nguyên sinh động vật Xác vi sinh vật Nhìn qua bảng 2, chúng có khả năng phân huỷ protein và lipid, nhất là Bacillus và Pseudomonas. Nguyên sinh động vật tham gia vào việc sử dụng chất hữu cơ, kích thích vi sinh vật tiết ra enzzim ngoại bào để phân huỷ chất hữu cơ, ăn vi khuẩn già và xác vi khuẩn, giúp điều chỉnh thành phần và loài của vi sinh vật trong bùn hoạt tính, giữ chúng luôn ở mức hoạt động tôi ưu, làm tăng cường quá trình làm sạch nước thải, tăng khả năng kết lắng bùn, loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh. Đối với bùn tốt, nguyên sinh động vật có khoảng 10-15 cá thể/106 tế bào [6, 13]. Thành phần vi sinh vật trong bùn hoạt tính được giới thiệu ở bảng 2. 1.6.2.Hoạt hoá bùn hoạt tính [13] Hoạt hoá bùn hoạt tính là tạo điều kiện cho quần thể vi sinh vật có trong đó phát triển lại trước khi cho bùn hồi lưu vào bể aeroten. Hoạt hoá bùn nhằm làm tăng số lượng vi sinh vật lên, từ đó tăng khả năng sử dụng chất hữu cơ có trong nước thải. Để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính trong quy trình công nghệ xử lý nước thải, phải quan tâm đến nồng độ oxy hoà tan trong nước, nồng độ và tuổi của bùn hoạt tính, các chất độc cho vi sinh vật, pH, nhiệt độ của nước thải. Nước thải sau khi được xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính thì hàm lượng các chất gây ô nhiễm giảm đi, nước thải ra môi trường tương đối đạt tiêu chuẩn về hàm lượng các chất cho phép: BOD giảm đến 85- 90%, Nitơ giảm 40%, coliform giảm 60- 90% [13]. Như vậy phương pháp bùn hoạt tính có khá nhiều ưu điểm và hiện nay vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải đô thị và công nghiệp. 1.6.3. Đánh giá bùn hoạt tính Bùn hoạt tính có chất lượng cao có dạng búi xốp, màu vàng hoặc nâu sẫm, dễ lắng và có khả năng thu hồi nhanh. Nếu bùn kém, các chất lơ lửng sẽ trôi theo nước ra, sẽ làm tăng BOD. Tốc độ oxy hoá chất hữu cơ phụ thuộc vào khả năng thích nghi của các chủng vi sinh vật mới có khả năng kết lắng và phân huỷ phổ nhiễm bẩn cao của nước thải [13]. * Tuổi và số lượng của bùn hoạt tính: Hiệu suất xử lý của phương pháp phụ thuộc nhiều vào độ tuổi của bùn hoạt tính hay thời gian lưu của bùn trong hệ thống xử lý. Nhìn chung khi tăng lượng bùn hoạt tính thì khả năng xử lý càng cao, nhưng chỉ đến một mức độ giới hạn nhất định, vì khi tăng lượng bùn hoạt tính thì nhu cầu oxy cũng phải tăng theo cho đủ hàm lượng oxy hoà tan. Bùn hoạt tính có chất lượng cao chỉ sử dụng được trong một thời gian nhất định. Nếu để lâu có nghĩa là bùn hoạt tính càng già thì khả năng xử lý kém dần đi do xác vi sinh vật chết lại trở thành nguồn gây ô nhiễm mới. Trong suốt toàn bộ quá trình xử lý bằng phương pháp bùn hoạt tính thì lượng bùn thải loại ra rất nhiều. Lượng bùn này tỷ lệ với mức độ nhiễm bẩn của nước thải thể hiện qua các chỉ số COD, BOD5. 1.7. Bể aeroten [13] Aeroten là một dạng bể nhân tạo trong đó ta tiến hành cấp khí hoàn chỉnh để cung cấp oxy cho vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù trong môi trường nước thải cần xử lý. Việc cấp khí (sục khí) ở đây đảm bảo hai yêu cầu là cung cấp đủ oxy cho vi sinh vật sinh trưởng và oxy hoá chất hữu cơ đồng thời duy trì chúng ở trạng thái lơ lửng. Bể aeroten có nhiều dạng được phân loại theo nhiều cách khác nhau: - Phân loại theo nguyên lý làm việc. - Hệ thống có quay vòng bùn. - Hệ thống không có tái sinh bùn. - Phân loại theo các dạng cấp khí. + Cấp khí theo tầng: Thường dùng với các aeroten có chiều sâu lớn, COD ban đầu cao. Phương pháp này giúp giảm chi phí khí nén và làm cho bể aeroten hoạt động hiệu quả ở tất cả các tầng theo chiều sâu của bể. + Bể hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn: Bể này thường áp dụng khi nước thải được chảy liên tục vào bể eroten có thiết bị khuấy hoạt động. Nước thải sau khi lắng và bùn hồi lưu dược đưa vào nhiều điểm trên bể aeroten. Chất hữu cơ cho vào và nhu cầu oxy đồng đều theo chiều dài của bể aeroten, thời gian lưu 3 á 5 ngày, tải trọng 0,8 á 2 kg BOD5/m3/ngày, thời gian lưu bùn từ 5 á 15 ngày. + Cấp khí theo chiều dọc: Hình thức bố trí ở phía đầu vào mật độ các phân tán khí dày hơn phía cuối bể. + Cấp khí theo ngăn: Bể aeroten được chia thành các ngăn, nước thải đi từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Mức độ cấp khí ở các ngăn khác nhau vừa đảm bảo xử lý triệt để vừa giảm chi phí khí nén. + Bể hiếu khí ổn định tiếp xúc: Quá trình ổn định tiếp xúc gồm hai bể riêng biệt hoặc hai ngăn riêng biệt để xử lý nước thải và ổn định bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính sau khi đã ổn định trộn với nước thải đưa vào bể tiếp xúc. Sau bể tiếp xúc nước thải qua bể lắng thứ cấp và bùn hồi lưu đưa về bể ổn định. Phương pháp này được sử dụng để xử lý nước thải với BOD cao, các chất hữu cơ chủ yếu ở dạng lơ lửng và dạng keo. Thời gian lưu trong bể ổn định 1,5 á5 giờ, thời gian lưu trong bể tiếp xúc hiếu khí 20 á 40 phút. Tải trọng từ 0,6 á 0,75 kg/m3/ngày. Các thông số cơ bản của aeroten. Trong quá trình vận hành theo dõi các thông số của bể aeroten là càn thiết để điều chỉnh quá trình xử lý có hiệu quả và tiết kiệm, đồng thời giảm khả năng tái nhiễm do vi sinh vật trong bùn hoạt tính bị phân huỷ. Các thông số theo dõi là: + Thời gian lưu của nước trong bể aeroten q (ngày, giờ): q = (1.7 – 1) Trong đó: V: Thể tích của bể aeroten (m3). Q: Lưu lượng nước thải đi vào bể (m3/ngày); (m3/h). + Chỉ số thể tích bùn SVI (Slugde Volume Index): (ml/g) (1.7 – 2) Trong đó: V1: diện tích lắng (ml/g). X: hàm lượng sinh khối có trong 1l (mg/l). Chỉ số SVI là thông số biểu thị dung tích lắng của 1 gam bùn. + Lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý nước thải : OCo = - 1,42Px + (kg O2/ngày) (1.7 – 3) Trong đó: OCo: lượng oxy cần thiết theo điều kiện tiêu chuẩn của phản ứng ở 200C. Q: Lưu lượng nước thải cần xử lý (m3/ngày). So: Nồng độ BOD5 đầu vào (g/m3). S: Nồng độ BOD5 đầu ra (g/m3). f: Hệ số chuyển đổi từ BOD5 sang COD hay BOD20 f = (1.7 – 4) Px: Phần tế bào dư xả ra ngoài theo bùn dư (kg/ngày). Px = YbQ(So – S)x10-3 (1.7 – 5) 1,42: Hệ số chuyển đổi từ tế bào sang COD. No: Tổng hàm lượng Nitơ đầu vào (g/m3). N: Tổng hàm lượng Nitơ đầu ra (g/m3). 4,57: Hệ số sử dụng oxy khi oxy hoá NH4+ thành NO3- + Lượng oxy cần thiết trong điều kiện thực tế: (1.7 – 6) Trong đó: Cs : Nồng độ oxy bão hoà trong nước sạch ứng với nhiệt độ (T0C) (mg/l). C : Nồng độ oxy cần duy trì trong công trình (mg/l). Khi xử lý nước thải thường lấy C = 1,5 á 2 mg/l. : Hệ số điều chỉnh lượng oxy ngấm vào nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt, loại thiết bị làm thoáng, hình dáng và kích thước bể, có giá trị từ 0,6 á 0,94. + Lượng không khí cần thiết: (m3/ngày) (1.7 – 7) Trong đó: OCt : Lượng oxy cần thiết tính theo công thức (1.7 – 6). f : Hề số an toàn, thường từ 1,5 á 2 OU = Ou.h : Công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gam oxy cho 1 m3 không khí. Ou : Công suất hoà tan oxy vào nước thải của thiết bị phân phối tính theo gram oxy cho 1 m3 không khí. h : Độ sâu ngập nước của thiết bị phân phối khí. Phần II. Vật Liệu Và Phương Pháp 1. Vật liệu 1.1. Mẫu nước thải - Nước thải được lấy tại bể tập trung của Công ty Bia Liên hợp Thực phẩm Hà Tây. - Mẫu nước thải được bảo quản ở 4o C. 1.2 Hóa chất K2Cr2O7, Na2S2O3, KMnO4, H2SO4 98 %, Ag2SO4, HgSO4, Fe(NH4)2(SO4).6H2O, KI, KOH, NaOH, H3BO3, MnSO4, FeCl3.6H2O, KH2PO4, pepton, cao men, agar… 1.3 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật : (Xem phụ lục). 1.4 Thiết bị Máy so mầu quang điện Pharmacia Biotech Novaspec II. Máy đo pH Mettler Toledo 320. Cân phân tích AND HR – 200. Bình tối để xác định BOD. Máy sục khí. Tủ ấm. Tủ sấy. Sinh hàn ngược. Bộ cất đạm… 2. Phương pháp nghiên cứu nước thải 2.1 Xác định thành phần, số lượng vi sinh vật [4] Số lượng vi sinh vật trong mẫu nước thải đựơc xác định theo phương pháp pha loãng 10-1, 102, 10-3… 10-20, sau đó cấy lên môi trường thạch trên đĩa peptri đã chuẩn bị sẵn, nuôi trong tủ ấm sau 24 – 48 giờ, đếm số lượng khuẩn lạc. Vi khuẩn hiếu khí nuôi trên môi trường MPA. Nấm men nuôi trên môi trường thạch Hansen. Nấm mốc nuôi trên môi trường Czapeck – Dox. 2.2 Xác định oxy hòa tan (DO- Disolved Oxygen) [8, 13] Để xác định lượng oxy hòa tan ta dùng phương pháp iot của Winkler. a. Nguyên lý của phương pháp: ._.