Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc qua màng sinh học

ề nước ngọt cho nuôi trồng động, thực vật ngày càng nhiều. Chất lượng nước cho mỗi đối tượng rất khác nhau nhưng có một điều cơ bản là các cây trồng, vật nuôi, con người tiêu thụ nước cần phải được phát triển bình thường không bị nhiễm độc trước mắt và lâu dài. Điều đó đặt ra một vấn đề là cần bảo vệ nguồn nước cũng như môi trường sống quanh ta để đảm bảo cuộc sống lâu bền của loài người trên trái đất. Để cải thiện tình trạng trên đã có rất nhiều phương pháp xử lý được đưa ra như phương pháp cơ học, hoá-lý, hoá học, sinh học... nhưng trong đó phương pháp sinh học là phương pháp đem lại hiệu quả cao về kinh tế và không làm phức tạp thêm môi trường, phù hợp và dễ áp dụng ngoài thực tế. Trong một phạm vi nhất định, phương pháp này không cần dùng đến hoá chất mà dùng chính hệ vi sinh vật có sẵn trong nước thải để phân huỷ các chất bẩn. Trong phạm vi khoá luận này bước đầu chúng em “ Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc qua màng sinh học ” đóng góp một phần trong công đoạn xử lý nước thải trước khi xả ra nguồn để cải tạo nguồn nước thải sinh hoạt hàng ngày của thành phố. Phần I: Tổng quan Chương 1 Nước thải sinh hoạt và sự ô nhiễm Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đã mang lại rất nhiều thành tựu mới. Sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp đặc biệt là các ngành du lịch và dịch vụ phát triển nhanh chóng, rộng khắp trên toàn đất nước đã góp phần thúc đẩy tốc độ đô thị hóa mạnh mẽ. Tốc độ phát triển này ảnh hưởng lớn đến môi trường đặc biệt là môi trường nước. Hơn nữa sự gia tăng dân số và phân bố dân cư không đồng đều chủ yếu tập trung ở các thành phố, thị xã đã gây nên quá tải cho nguồn nước ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống động, thực vật và con người. 1.1. Nước thải sinh hoạt [1, 3, 5]. Nước thải là được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu. Nước thải là một hệ dị thể phức tạp bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các trạng thái khác nhau. Nếu như nước thải công nghiệp chứa rất nhiều hoá chất vô cơ và hữu cơ thì nước thải sinh hoạt chứa rất nhiều các chất bẩn dưới dạng protein, hydratcacbon, mỡ, các chất thải ra từ con người và động vật, ngoài ra còn phải kể đến các loại rác như giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt... Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học, bệnh viện. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật như vi khuẩn, trứng giun, các loại nấm mốc, các virut, rong, rêu... Nước thải sinh hoạt gồm có: - Khu dân cư: mức độ ô nhiễm của nước thải tùy thuộc vào điều kiện sống từng khu vực, chất lượng bữa ăn và chất lượng sống. - Khu thương mại: gồm có chợ (chợ tập trung, chợ xanh, chợ cóc...) các cửa hàng, bến xe, trụ sở kinh doanh, trung tâm buôn bán của khu vực. - Khu vực cơ quan: gồm cơ quan, công sở, trường học, bệnh viện, nhà nghỉ, nhà ăn... - Khu vui chơi giải trí: gồm các câu lạc bộ, bể bơi... 1.2. Thành phần của nước thải sinh hoạt [1, 2, 3, 6, 11]. Nước thải đưa vào nước bề mặt các loại hoá chất khác nhau từ trạng thái tan hoặc dưới dạng huyền phù, nhũ tương, cho đến các loại vi khuẩn... Do tương tác hoá học của các chất đó, do sự thay đổi pH của môi trường nên các sản phẩm thứ cấp được tạo thành. Các chất kết tủa dạng huyền phù và chất keo có trong nước thải ngăn cản sự phát triển của các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch nước. 1.2.1. Tạp chất vô cơ. 1.2.1.1 Tạp chất không gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe: - Độ đục: do sự có mặt của các chất không tan, các chất keo có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ gây ra. - Màu sắc: gây nên do một số tạp chất muối khoáng chủ yếu là các muối của sắt (III) và một số chất hữu cơ (axit humic, fulvic...). Nước có màu tác động đến khả năng xuyên qua của ánh sáng mặt trời khi đi qua nước, do đó gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái. - Tính khoáng hóa: độ kiềm và độ cứng tham gia vào phản ứng cân bằng cacbonat canxi của nước cùng với độ phân hóa và axit cacbonic hòa tan. - Khí hòa tan: H2S hình thành do quá trình khử của muối sunfat (quá trình vi sinh yếm khí), phân huỷ axit amin có chứa lưu huỳnh, tạo nên mùi khó chịu và là nguồn gốc của sự ăn mòn. - Amoni (NH4+): là một chất tạo ra sự ô nhiễm do thúc đẩy qúa trình phú dưỡng của nước, là nguồn dinh dưỡng cho phép một số vi khuẩn sinh trưởng trong mạng ống dẫn. Nếu pH cao amoni ở dạng amoniac gây mùi khó chịu. 1.2.1..2 Tạp chất có hại cho sức khỏe: - Kim loại nặng: Cd, Cr, Pb, Hg, As... đều có độc tính cao đối với người và động vật, đa số những chất này xâm nhập vào nguồn nước do rửa trôi, vật thải... Chúng bị hấp phụ bởi các chất huyền phù có mặt trong nước tự nhiên. - Nitrat (NO3-): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong chất thải cuả người và động vật, thực vật. Bản thân nitrat không phải là chất có độc tính nhưng ở trong cơ thể nó bị chuyển hoá thành nitrit (NO2-) rồi kết hợp với một số chất khác tạo thành các hợp chất nitrozo là các chất có khả năng gây ung thư. 1.2.2. Tạp chất hữu cơ. - Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: hydratcacbon, protein, chất béo, lignin, pectin... có từ tế bào và các tổ chức của động vật, thực vật. Nước thải khu dân cư có khoảng 25 á50% hydratcacbon, 40 á 60% protein, 10% chất béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm lượng oxy hoà tan trong nước, dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. - Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: hợp chất hữu cơ vòng thơm, hợp chất đa vòng ngưng tụ, hợp chất clo hữu cơ, thuốc trừ sâu, các dạng polyme, polyancol... Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người, khó bị phân hủy do tác nhân sinh học bình thường, tồn tại lâu dài tích lũy làm bẩn về mỹ quan, gây độc cho môi trường, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống. 1.2.3. Vi sinh vật trong nước thải. Vi sinh vật có trong nước thải chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập đoàn sinh vật của nước thải. Chủ yếu là vi khuẩn, virut, nguyên sinh động vật, trứng giun, sán, tảo, rêu... 1.3. Một số thông số đặc trưng của nước thải [5, 6]. 1.3.1. Hàm lượng oxy hòa tan DO ( Dissolved Oxygen ). Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước, vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng và sinh sản. Nồng độ bão hòa của oxy trong nước ở nhiệt độ bình thường khoảng 8 á 15 mg/l. Khi thải các chất thải sử dụng oxy vào nguồn nước, quá trình oxy hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nước này, thậm chí có thể đe dọa sự sống của các loài cá cũng như sinh vật sống trong nước. Có hai phương pháp để phân tích DO. Ngoài phương pháp đo oxy hoà tan trực tiếp bằng điện cực oxy với màng nhạy bằng các máy đo người ta thường dùng phương pháp Iot (phương pháp Winkler). Phương pháp phân tích này dựa vào quá trình oxy hóa Mn2+ thành Mn4+ trong môi trường kiềm. Mn4+ lại oxy hóa I- thành I2 tự do trong môi trường axit. Vậy lượng I2 được giải phóng tương đương với lượng oxy hòa tan có trong nước. Lượng iot này xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch natrithiosunfat (Na2S2O3). Các phản ứng hóa học xảy ra: Mn2+ + 2OH- + 1/2 O2 MnO2 ¯ + H2O (Nâu) MnO2 + 2I- + 4H+ Mn2+ + I2 + 2H2O Chỉ thị,tinh bột I2 + 2Na2S2O3 Na2S4O6 + 2NaI (không màu) 1.3.2. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand). BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ. BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật. Quá trình này được tóm tắt như sau: Vi khuẩn Chất hữu cơ +O2 CO2+H2O+Tế bào mới+sản phẩm cố định Trong kỹ thuật môi trường chỉ tiêu BOD được dùng rộng rãi để: Xác định gần đúng lượng oxy cần thiết để oxi hoá các chất hữu cơ dễ phân huỷ có trong nước thải. Làm cơ sở tính toán kích thước các công trình xử lý. Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình. Đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý được phép thải vào các nguồn nước. Thực tế, người ta không xác định được lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ vì như vậy tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200oC trong bóng tối (để tránh hiện tượng quang hợp ở trong nước). Chỉ số này được gọi là BOD5. Giá trị BOD5 được tính theo công thức sau: BOD5 = D1 - D2 , mg/l P Trong đó: D1- Lượng oxy hòa tan sau khi pha loãng ở thời điểm ban đầu (mg/l). D2- Lượng oxy hòa tan sau 5 ngày ủ ở 20oC (mg/l). P - Tỷ số pha loãng. P = V mẫu nước đem phân tích ồV nước đem phân tích và nước pha loãng 1.3.3. Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand). Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hoá học các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước. Để xác định COD người ta thường sử dụng một chất oxy hoá mạnh trong môi trường axit. Chất oxy hoá hay được dùng là kalibicromat (K2Cr2O7). Ag2SO4 Chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ CO2 + H2O + 2Cr3+ to Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch muối Morh - Fe(NH4)2(SO4)2 - FAS với chất chỉ thị là dung dịch Ferroin. 6Fe2+ + Cr2O72_ + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Hàm lượng COD được tính theo công thức: COD = (A - B) ´ N ´ 8000 , mg/l Vmẫu A - Thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ mẫu trắng, ml ; B - Thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ mẫu thử, ml ; N - Nồng độ đương lượng của dung dịch FAS ; 8000 là hệ số chuyển đổi kết quả sang mgO2/l ; Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất không thể bị oxy hóa bằng vi sinh vật, do đó nó có giá trị cao hơn BOD. 1.3.4. Các chất dinh dưỡng. - Hàm lượng nitơ (N). Nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào, tổng hợp protein nên nó rất cần thiết cho các động vật nguyên sinh và thực vật phát triển. Nitơ được biết tới như là những chất dinh dưỡng hoặc kích thích sinh học. Trong nước hợp chất chứa nitơ thường tồn tại ở các dạng: Nitơ hữu cơ (N-HC), nitơ amoniac (N-NH3), nitơ nitrit (N-NO2-), nitơ nitrat (N-NO3+) và nitơ tự do N2. Chỉ tiêu hàm lượng nitơ trong nước là thông số để xác định khả năng có thể xử lý một loại nước thải như thế nào đó bằng các phương pháp sinh học và cũng được xem như là chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước vì NH3 tự do là sản phẩm phân hủy các chất chứa protein, ở điều kiện hiếu khí sẽ xảy ra quá trình oxy hóa theo trình tự sau: Oxy hoá Nitrosomonas Nitrobacter Protein NH3 NO2- NO3- - Hàm lượng phospho (P). Phospho trong nước thải thường tồn tại ở các dạng orthophosphat (PO43-, HPO42-, H2PO4-, H3PO4) hay polyphosphat [Na3(PO3)6] và photpho hữu cơ. Photpho là một trong những nguồn dinh dưỡng cho thực vật dưới nước, gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng ở các thuỷ vực. Chỉ tiêu photpho có ý nghĩa quan trọng để kiểm soát sự hình thành cặn rỉ, ăn mòn và xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học. - Hàm lượng sunfat. Lưu huỳnh cũng là một nguyên tố cần thiết cho quá trình tổng hợp protein và được giải phóng ra trong quá trình phân hủy chúng. Sunfat bị khử sinh học ở điều kiện kỵ khí theo phản ứng sau: Vi khuẩn kỵ khí Chất hữu cơ + SO42- S2- + H2O + CO2 S2- + 2H+ H2S ư Một phần khí H2S được giải phóng vào không khí phát sinh mùi khó chịu và độc hại cho con người ở nơi xử lý nước thải. Một phần còn lại trong hệ thống ống dẫn bị oxy hóa sinh học thành H2SO4 làm ăn mòn các ống dẫn. 1.4. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt [2, 6]. 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 đó đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đó chúng ta thường dựa vào 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 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. Xử lý bằng phương pháp tổng hợp. Nhưng nhìn chung để xử lý nước thải đến cùng thường phải tiến hành qua các công đoạn: - Xử lý cấp I: gồm các quá trình cơ học như xử lý sơ bộ và lắng có nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất thô, cứng, vật nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn có thể lắng ra khỏi nước thải. - Xử lý cấp II: chủ yếu là ứng dụng các quá trình sinh học (đôi khi cả quá trình hóa học hoặc cơ học kết hợp) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy bằng con đường sinh học thành các chất vô cơ và chuyển các chất hữu cơ ổn định thành bông cặn dễ loại bỏ ra khỏi nước. - Xử lý cấp III: thông thường công đoạn này chỉ cần khử khuẩn để đảm bảo nước trước khi được đổ vào các thuỷ vực không còn vi sinh vật gây bệnh; khử màu, khử mùi và giảm nhu cầu oxy sinh học cho nguồn tiếp nhận. Các phương pháp khử khuẩn thường dùng là clo hoá, ozon, tia cực tím. Ngoài ra để nâng cao chất lượng nước đã xử lý tái sử dụng cần qua các công đoạn như: vi lọc, kết tủa hoá học, đông tụ, hấp phụ qua than hoạt tính, trao đổi ion... Trong khóa luận này em tập trung đi sâu vào nghiên cứu phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt trước khi xả ra nguồn, vì vậy đối tượng nghiên cứu chỉ là những quá trình xử lý cấp II và phương pháp được lựa chọn là phương pháp sinh học sẽ được nghiên cứu kỹ ở chương sau. Chương 2 xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. 2.1. Vi sinh vật và quá trình làm sạch nước thải [2, 4, 6, 7]. Thành phần sinh học của nước và đặc biệt là nước thải có các nhóm chính: Vi sinh vật, nguyên sinh động vật (thuộc vào giới động vật sống trôi nổi của nước), tảo (giới thực vật nổi của nước). Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước là từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn thải và từ bụi trong không khí rơi xuống. Số lượng và chủng loại vi sinh vật trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hoà tan trong nước, các chất độc, tia tử ngoại, pH môi trường. Yếu tố quyết định đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật chính là các chất dinh dưỡng của chúng. Nước thải càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ thì càng phong phú vi sinh vật nhưng tổng hợp lại chỉ có những loại chính sau: 2.1.1. Vi khuẩn (bacteria). Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, kích thước rất nhỏ từ 0,3á5mm. Vi khuẩn có hình cầu, hình sợi, hình xoắn... chúng sống đơn lẻ từng tế bào, liên kết thành chuỗi hoặc xếp hình khối vuông. Vi khuẩn đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, làm sạch nước thải, trong vòng tuần hoàn vật chất. Theo phương thức dinh dưỡng ,vi khuẩn được chia làm hai nhóm chính. - Vi khuẩn dị dưỡng (heterotrophic): Nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cơ chất cacbon và năng lượng trong các quá trình sinh tổng hợp. Có ba loại vi khuẩn dị dưỡng +Vi khuẩn hiếu khí (aerobic): nhóm này là loại cần oxy để sống. Oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ theo phản ứng: Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + năng lượng +Vi khuẩn kỵ khí (anaerobic): là nhóm vi khuẩn có thể sống và hoạt động ở điều kiện không cần có oxy của không khí, mà chúng sử dụng oxy trong những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hoá các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + NO3- CO2 + N2 + năng lượng Chất hữu cơ + SO42- CO2 + H2S + năng lượng Chất hữu cơ axit hữu cơ + CO2 + H2O + năng lượng Chất hữu cơ CH4 + CO2 + năng lượng +Vi khuẩn tuỳ nghi (facultive): loại này có thể sống trong điều kiện có hoặc không có oxy tự do. Năng lượng được giải phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới, một phần thoát ra ở dạng nhiệt. - Vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic): loại vi khuẩn này có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh... 2.1.2. Virut. Đây là loại siêu vi khuẩn cực nhỏ sống kí sinh ở tế bào vật chủ, nhờ những chất trao đổi của vật chủ mà xây dựng các hợp chất protein và axit nucleic cho mình. Vì vậy, virut là tác nhân gây ra một số bệnh dịch cho người và gia súc. 2.1.3. Nấm, nấm mốc và nấm men. Nhóm này ít hơn vi khuẩn và phát triển mạnh ở vùng nước tù. Chúng là những vi sinh vật dị dưỡng và hiếu khí. Các loại nấm có khả năng phân huỷ các chất hữu cơ, nhiều loài có khả năng phân huỷ được xenluloza, hemixenluloza và đặc biệt là lignin. 2.2. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải [5, 6, 7]. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi một loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng riêng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng chỉ có thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng mà đi từ các chất hữu cơ trong môi trường sống để phân huỷ, đồng thời cũng phân huỷ các hợp chất nhiễm bẩn trong nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, N2 v.v...). Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hoà tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hoá và đồng hoá. Quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ hay quá trình oxy hoá sinh hoá gồm ba giai đoạn: Di chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuyếch tán đối lưu và phân tử. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào. Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sinh sản năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng. Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn trong nước giảm dần. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ xảy ra ở bên ngoài tế bào do các enzim thuỷ phân, như amilaza phân huỷ tinh bột, proteaza phân huỷ protein, lipaza phân huỷ chất béo v.v... thành các sản phẩm có khối lượng phân tử thấp có thể đi qua màng vào bên trong tế bào - quá trình phân huỷ ngoại bào. Nếu các chất tạo thành tiếp tục bị phân huỷ hoặc chuyển hoá thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới - quá trình phân huỷ nội bào. 2.2.1. Phân huỷ hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí. (CHO)nNS CO2 + H2O + Tế bào vi sinh + NH4+ + H2S chất hữu cơ 60% 40% NO3- SO42- + các sản phẩm dự trữ + năng lượng Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí hoặc tuỳ nghi. Các giống vi khuẩn thường gặp ở hầu hết các loại nước thải là: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium. Tất cả các chủng Pseudomonas, Bacillus đều có khả năng sinh enzim amilaza và proteaza phân huỷ tinh bột và protein, Pseudomonas còn lên men được nhiều loại đường và màng nhầy. Trong các công trình xử lý nước thải, oxy hoà tan cung cấp cho quá trình sống của vi sinh vật ngoài lượng hoà tan tự nhiên ta còn phải bổ sung thêm. Có như vậy mới đảm bảo cho quá trình xử lý đạt kết quả. Oxy cung cấp cho quá trình này được chia thành hai phần: Một phần phân huỷ các hợp chất hydratcacbon, một phần phân huỷ các hợp chất chứa nitơ giải phóng ra NH3 (NH4+) là nguồn dinh dưỡng được vi sinh vật sử dụng trực tiếp để tổng hợp thành các protein mới cho quá trình xây dựng tế bào. Phân huỷ hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Nó bao gồm các quá trình: - Phân giải hyđratcacbon, phân giải xellulose ( tricoderma, aprgillus, fusarili, muco là các lấm mốc và các vi khuẩn phân huỷ hiếu khí pseudomonas, xenlulomonas, achromobacter, nhóm kỵ khí costridium và xạ khuẩn streptomyces và niêm khuẩn - Phân giải xilan: là các loại hợp chất cacbon ở trong xác thực vật, các vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, vi khuẩn phân giải sinh ra enzim xilanase phân giải xilan. - Phân giải lignin: enzim phân giải là phanerochaetechrysosporium và vi khuẩn actinomyces. - Phân giải tinh bột: một số vi khuẩn thuộc chi bacillus, cytophoga. - Phân giải pectin. - Phân giải lipit và chất béo: (do vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc). - Phân giải các axit hưu cơ: các vi khuẩn kỵ khí lên men các axit thành khí me tan. - Phân giải protein: gồm các enzim peptidase. - Phân giải kitin: các sinh vật sinh ra kitinase phân huỷ kitin. 2.2.2. Phân huỷ hợp chất hữu cơ do các vi sinh vật kị khí. (CHO)nNS CO2 +H2O +Tế bào vi sinh+CH4 +H2+các chất trung gian Chất hữu cơ 20% 5% 5% 70% + NH4+ + H2S + các sản phẩm dự trữ + năng lượng Quá trình phân huỷ kỵ khí các hợp chất hữu cơ gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn thuỷ phân: Dưới tác dụng của các enzim thuỷ phân do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị thuỷ phân - Hydratcacbon (kể cả các chất không hoà tan) phức tạp sẽ thành các đường đơn giản; protein thành peptit, axit amin...; chất béo (lipit) thành glyxerin và các axit béo. - Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thuỷ phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí chủ yếu là CO2 và CH4. Ngoài ra còn tạo ra một số khí khác như H2, N2, H2S và một ít muối khoáng. Các vi khuẩn tham gia quá trình này gồm: Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus candidus, Clostridium... Từ những phản ứng trên ta thấy ở điều kiện hiếu khí sản phẩm cuối cùng phần lớn là CO2 và H2O là những sản phẩm không độc hại đối với môi trường vì vậy có thể thải trực tiếp ra môi trường. Nhưng ở điều kiện kỵ khí thì 70% sản phẩm là những chất trung gian vì vậy không thể thải trực tiếp ra môi trường mà phải tốn thêm một khoảng thời gian nữa để vi sinh vật phân huỷ tiếp thành những chất đơn giản hơn. Đây cũng là một trong những lý do người ta thường chọn phương pháp xử lý ở điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên với lực lượng đông đảo vi sinh vật về chủng loại thì khả năng làm sạch nước còn phụ thuộc vào đặc tính của chất nền. 2.3. Đặc tính của chất nền [11]. Chất nền là một tập hợp gồm toàn thể các vật phẩm chứa trong nước mà vi khuẩn có thể sử dụng chúng để phát triển. Các nguyên tố của chất nền gồm: Các nguyên tố chiếm đa số: C, H, O, N; Các nguyên tố chiếm thiểu số: P, K, S, Mg; Các vitamin và hoocmon; Các nguyên tố vết hoặc các nguyên tố vi lượng (Co, Fe, Ni,...). Trong một môi trường đặc biệt phức tạp thường có ở hầu hết nước thải, các nguyên tố vết, các vitamin và các hoocmon nói chung có nồng độ đủ để đảm bảo làm sạch hoàn toàn nước. Ngược lại nước cần xử lý có thể không có đủ photpho thậm chí cả nitơ. Như vậy phải bổ xung các nguyên tố này. Để một nguồn nước thải có thể xử lý sinh học được nó phải có các đặc tính thích hợp với sự tăng trưởng vi khuẩn như độ pH, nhiệt độ, các sản phẩm độc hại hoặc sản phẩm ức chế. 2.4. Ưu, nhược điểm của phương pháp [2]. Ưu điểm: Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ tương đối rộng. Không sử dụng nhiều loại hoá chất vì vậy tránh ô nhiễm môi trường. Hệ thống có thể điều chỉnh theo phổ các chất nhiễm bẩn và nồng độ các chất nhiễm bẩn. Thiết kế và trang thiết bị đơn giản. Chi phí vận hành thấp. 6. Hiệu suất xử lý cao. Nhược điểm: Đầu tư cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém. Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh. Các chất hữu cơ khó phân huỷ cũng như các chất có độc tính ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Có thể phải pha loãng nước thải có nông độ chất bẩn cao dẫn đến lượng nước thải cần xử lý tăng. Tuy vẫn còn nhiều nhược điểm nhưng phương pháp sinh học vẫn được ưu tiên sử dụng vì nó phù hợp với điều kiện cơ sở ở nước ta và đây là một công nghệ sạch không ảnh hưởng nhiều đến môi trường. Chương 3 màng sinh học Khi đặt những vật liệu rắn trong dòng nước thải vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám lên đó. Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học-chất polyme ngoại bào-EPS), tạo thành màng (màng sinh học). Màng này cứ dầy dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên vật liệu (chất mang). Màng này có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước khi chẩy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán v.v... Màng sinh học phát triển ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy, dầy từ 1 á3 mm và hơn nữa. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải, từ vàng xám đến màu nâu tối. 3.1. Thành phần và cấu trúc của màng sinh học [6, 11, 12, 13]. Màng sinh học được tạo nên do những tập hợp vi sinh vật khác nhau (vi khuẩn, nấm mốc...), những chất polyme ngoại bào (EPS), các cation đa hoá trị, những hợp chất dạng keo, những hợp chất có thành phần vô cơ, hữu cơ. Thành phần quan trọng trong màng sinh học là những chất polyme ngoại bào (EPS), chúng chiếm 50á90% tổng lượng chất hữu cơ trong màng và tạo thành mạng lưới không gian ba chiều bao lấy xung quanh vi sinh vật. Qua nghiên cứu nhiều phương pháp phân tích Nielsen et. al. (1999) đã đưa ra kết luận về thành phần của EPS gồm: polysacarit chiếm khoảng 50%, ngoài ra còn có các chất khác như: protein, axit nucleic, lipit... Chức năng của EPS là tạo ra khả năng liên kết giữa các vi sinh vật và dính bám lên bề mặt vật liệu. Một thành phần nữa cũng quan trọng không kém trong màng sinh học là các cation hoá trị II mà đáng chú ý nhất là Ca2+ có chức năng gắn kết các nhóm tích điện âm trên EPS của vi sinh vật với các chất vô cơ để làm bền hoá màng sinh học. Người ta đã thực hiện nhiều thí nghiệm thử tách Ca2+ ra khỏi màng sinh học bằng cách thế cation hoá trị I hoặc cho Ca2+ tạo phức với EDTA hay EGTA kết quả đều làm cho màng sinh học mất khả năng bền hoá vì nó làm yếu cấu trúc tổng thể của màng sinh học do tạo ra nhiều phân tử nhỏ rời rạc, không dính kết. Theo DIGNAC et. al. (1998) thì các EPS đóng vai trò là cấu trúc cơ sở, các cation hoá trị II gắn kết các nhóm chức tích điện âm trên phân tử EPS. Liên kết giữa EPS và cation dẫn đến sự bền hoá mạng polyme sinh học và giữ cố định các vi sinh vật trong màng. Qua nhiều phương pháp nghiên cứu đã cho thấy rằng màng sinh học có cấu trúc không đồng nhất, nó được quy định bởi nồng độ chất dinh dưỡng, các loại vi sinh vật... 3.2. Sự phát triển của màng sinh học [11]. 3.2.1. Các giai đoạn phát triển của màng sinh học. 3.2.1.1. Cơ chế hoạt động của màng sinh học. Màng lọc sinh học được tạo thanh chủ yếu là do các vi khuẩn hiếu khí và các màng lọc sinh học, các vi khuẩn kỵ khí, các vi khuẩn tuỳ tiện. Lớp ngoài cùng của màng là lớp hiếu khí, có loài trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là các vi khuẩn tuỳ tiện như alcaligenes, Flavolacterium... và cả Bacilluss. Lớp sâu bên trong màng có vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh, nitrat. Quá trình oxy hoá xảy ra trên lớp màng sinh học: Khi dòng nước thải chảy trùm lên lớp màng sinh học, các chất hưu cơ sẽ bị hấp thụ vào màng sinh học và xẽ bị phân huỷ bởi các vi sinh vật hiếu khí thành CO2 và H2O, O2 và các thức ăn đồng hoá được vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh học cho tới chừng nào mà các đám tế bào ở sâu nhất không tiếp xúc với oxy và thức ăn đồng hoá trực tiếp nữa. Sau một thời gian nhất định sẽ xuất hiện sự phân tầng giữa lớp ưa khí chồng lên lớp kỵ khí. ở lớp ưa khí có sự khuếch tán oxy, lớp kỵ khí ở sâu hơn và không có oxy. Trong quá trình xử lý chất bị hấp thụ chuyên hoá thành sản phẩm của quá trình trao đổi chất là CO2 sẽ được thoát ra qua màng chất lỏng. Oxy hoà tan được bổ sung bằng cách hấp thụ từ không khí. Nước thải ra ngoài thiết bị đã được làm sạch. Khi không có nguồn hưu cơ cacbon từ bên ngoài thì những vi sinh vật ngay sát bề mặt chất mang bắt đầu bước vào giai đoạn hô hấp nội bào (quá trình tự oxy hoá) và mất khả năng bám chặt vào bề mặtvật chất mang. Khi đó nước lại rửa xói lớp màng nhầy rời khỏi chất mang và một lớp màng mới lại bắt đầu sinh trưởng. Cứ như thế hết lớp màng này tróc ra lại có lớp màng mới xuất hiện. Nước thải qua thiết bị và được xử lý liên tục đảm bảo nước đầu ra qua hệ thống xử lý đạt tiêu chuẩn thải.Hệ thống này đạt hiệu quả tốt nhất khi lớp màng nhầy vi sinh vật có độ dày đồng đều trên b ề mặt lớp chất mang. Yếu tố này phụ thuộc vào tại trọng chât hữu cơ có trong nước thải, tốc độ nước thải đầu vào hệ thống, thời gian lưu của nước thải và lượng oxy hoà tan. Các chất dinh dưỡng có thể đồng hoá cùng oxy trong nước cần xử lý sẽ vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh cho đến chừng nào mà các đám tế bào ở vùng sâu nhất không tiếp xúc được vơí chất dinh dưỡng và oxy nữa. Sau một thời gian sẽ xuất hiện sự phân tầng vi sinh vật: - Ngoài cùng là các lớp ưu khí: ở đây có có sự khuyếch tán oxy - vi sinh vật hiếu khí hoạt động. - Lớp sau là lớp kỵ khí: ở đây không có sự khuyếch tán oxy - vi sinh vật kỵ khí hoạt động. - Sự hình thành và mức độ tồn tại các lớp này thay đổi theo loại chất phản ứng (dinh dưỡng) đưa vào. Các chất có trong nước thải chứa: Cacbon, oxy, Hidro, Nitơ và Photpho cũng như các chất vô cơ và hưu cơ khác, ban đầu sẽ được vận chuyển đến lớp lọc ở dạngdung dịch. Tỷ lệ dung dịch hoặc việc chuyển khối trong lớp lọc có thể làm hạn chế mức độ của các phản ứng trên. Các chất nhận Hidro có thể là các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy cho mục đích này, còn các vi sinh vật yếm khí sẽ sử dụng các nguồn Sulphat, Nitrat, Cacbon dioxit hoặc các hợp chất hữu cơ. Năng lượng chỉ được các vi sinh vật cung cấp ở dạng năng nượng có trong các hợp chất hoá học hoăc nhờ gradient nhiệt do ánh sáng. Phần năng lượng này được sử dụng cho phản ứng để tổng hợp sinh khối, phần còn lại do tiêu tán do phát nhiệt. Hiệu ứng nhiệt trong thiết bị thường có thể bỏ qua khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải là nhỏ. 3.2.1..2. Quá trình phát triển của màng sinh học có thể chia làm 3 giai._.