CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU Vi sinh vật là một thế giới sinh vật vô cùng nhỏ bé mà ta không thể quan sát bằng mắt thường. Nó phân bố khắp mọi nơi, trong đất, trong nước, trong không khí Vi sinh vật đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự nhiên cũng như trong cuộc sống của con người. Nó biến đá mẹ thành đất trồng, nó làm giàu chất hữu cơ trong đất, nó tham gia vào tất cả các vòng tuần hoàn bật chất trong tự nhiên. Nó là các khâu quan trọng trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Nó đóng vai trò quyết định quá trình tự làm sạch các môi trường tự nhiên. Từ xa xưa, con người đã biết sử dụng VSV trong đời sống hằng ngày. Các quá trình làm rượu, làm dấm, muối chua đều ứng dụng đặc tính sinh học của các nhóm VSV. Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò của VSV thì việc ứng dụng trong sản xuất và đời sống hằng ngày càng rộng rãi và có hiệu quả lớn. Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, con người đã sử dụng VSV làm sạch môi trường, xử lý các chất độc hại, sử dụng VSV trong việc chế tạo phân bón hóa học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc đến môi trường và bảo vệ sự cân bằng sinh thái. Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, không tan, bay hơi, không bay hơi, dễ phân hủy, khó phân hủy, Phần lớn các chất hữu cơ trong nước đóng vai trò là cơ chất đối với vi sinh vật. Nó tham gia vào quá trình dinh dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật. Vì thế, công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học thường được áp dụng vì dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy 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 chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa, nhưng do trong môi trường có các vi khuẩn giúp cho quá trình chuyển hóa, phân hủy chất hữu cơ nên khi xử lý nước thải cần xem xét nước thải có các vi sinh vật hay không để lợi dụng sự có mặt của nó và nếu có thì tạo điều kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển. Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại: Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động trong môi trường không có Oxy. Phương pháp hiếu khí: sử dụng vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện cung cấp Oxy liên tục. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau: • Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. • Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào. • Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống nước xử lý.Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng. CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ I. Cơ sở lý thuyết Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí (CO 2 , CH 4 ). Quá trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát: (CHO) n NS → CO 2 + H 2 O + CH 4 + NH 4 + H 2 + H 2 S + Tế bào VI SINH Quá trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD ≥ 10 – 30 (g/l). Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học. II. Các công nghệ xử lý kị khí III. Quá trình phân hủy kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Chất hữu cơ  CH 4 + CO 2 + H 2 + NH 3 + H 2 S + Tế bào mới. Quá trình kỵ khí sử dụng CO 2 làm chất nhận điện tử, không cần oxy. Đây có thể trở nên một yếu tố làm giảm chi phí xử lý nước thải. Quá trình kỵ khí sản xuất lượng bùn ít hơn từ 3 – 20 lần so với quá trình hiếu khí, bởi vì sự sản sinh năng lượng từ các quá trình kỵ khí tương đối thấp. Hầu hết năng lượng có được từ sự phá hủy cơ chất đều được tìm thấy trong các sản phẩm cuối của quá trình, đó là CH 4 . Nói về sản lượng tế bào, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối trong điều kiện kỵ khi, trong khi với quá trình hiếu khí tỷ lệ này là 5%. Cứ từ 1 tấn khối lượng COD bị phân hủy thì có 20 – 150 kg khối lượng thô của tế bào sinh ra, so sánh với quá trình hiếu khí thì con số này là 400 – 600 kg (Speece, 1983, Switzenbaun, 1983). Quá trình xử lý kỵ khí thích hợp cho các loại nước thải ô nhiễm nặng . Bể phản ứng kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ tải trọng cao. Hệ thống kỵ khí có thể phân hủy sinh học các hợp chất tổng hợp như các hydrocacbon béo có chlor như trichloroethylene, trihalomethan) và một số hợp chất khó phân hủy như lignin. Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau: Methane (CH 4 ) 55,65 % Carbon dioxite (CO 2 ) 35,45 % Nitrogen (N 2 ) 0,3 % Hydrogen (H 2 ) 0,1 % Hydrogen Sulphide (H 2 S) 0,1 % Biogas có trị nhiệt cao 4500 – 6000 kcal/m 3 tùy vào thành phần % methan có trong biogas. Methane có trị nhiệt cao 9000 kcal/m 3 ) Lên men Yếm khí Metan có thể dùng để đốt, tạo nhiệt cung cấp cho lò phản ứng hoặc tạo ra điện. Một lượng nhỏ năng lượng (khoảng 3 – 5 % ) bị mất bởi nhiệt trong quá trình kỵ khí . Sự tạo thành metan giúp giảm thiểu BOD trong bùn đã phân hủy. Phân hủy kị khí có thể làm sáu quá trình: 1. Phân hủy polimer: - Thủy phân các protein - Thủy phân polysaccharide - Thủy phân chất béo 2. Lên men các amino axit và đường 3. Phân hủy kị khí các axit béo mạch dài và rượu (alcohols) 4. Phân hủy kị khí các axit béo dễ bay hơi (ngoại trừ axit acetic) 5. Hình thành khí mêtan từ axit acetic 6. Hình thành khí mêtan từ hydrogen và CO 2 . Các quá trình này có thể họp thành bốn giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kị khí chất hữu cơ: • Giai đoạn thủy phân Trong giai đoạn này, các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản hơn (để có thể thâm nhập vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzyme ngoại bào của các vi khuẩn (vi khuẩn lên men). Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loại vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như hydratcacbon, protein, lipit dễ dàng bị phân hủy thành các chất hữu có đơn giản, dễ bay hơi như etanol, các axit béo như axit axetic, axit butyric, axit propionic, axit lactic và các khí CO 2 , H 2 và NH 3 . • Giai đoạn axit hóa Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các axit amin, đường đơn và axit béo mạch dài đều biến đổi về các axit hữu cơ mạch ngắn hơn, một ít khí hydro và khí CO2, Giai đoạn này còn có tên là giai đoạn lên men. Cơ chế axit hóa các axit béo và glycerin (sản phẩm thủy phân chất béo) tương đối phức tạp, có thể tóm tắt như sau: - Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian để tạo sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối. - Axit béo mạch dài LCFA chủ yếu bị phân giải phức tạp như sau: Axit béo + CoA ↔ Acyl-CoA Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở màng trong tế bào vi khuẩn. Acyl-CoA → Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA ↓ ↓ Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là axit acetic. Acyl-CoA + H2 + năng lượng tích lũy (ATP) Axit axetic + CoA (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-) Đối với các axit béo chứa số C lẻ, trong sản phẩm ngoài axit axetic là chủ yếu còn chứa cả axit propionic. Các axit béo chưa bão hòa được no hóa (ngay sau khi liên kết este được phân cắt) trước khi trải qua quá trình oxy hóa β. Một số sản phẩm phụ của quá trình như rượu, peronic, các axit trung gian cung cơ thể được tạo thành từ các con đường khác (oxy hóa α, oxy hóa ω, ) bởi một số nhóm vi khuẩn và nấm. Sản phẩm lên men tạo mùi khó chịu hôi thối do H2S, indol, scatol, được sinh ra và pH của môi trường tăng dần lên. • Giai đoạn axetat hóa Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa nêu trên, ngoại trừ axit acetic, do vậy các chất này cần được phân giải tiếp thành những phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là axit acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn axetat hóa: CH 3 CH 2 OH (ethanol) + H 2 O → CH 3 COO - + H + + 2H 2 CH 3 CH 2 COO - (propionic) + 3H 2 O → CH 3 COO - + HCO 3 - + H + + 3H 2 CH 3 (CH 2 ) 2 COO - (butyric) +H 2 O → 2CH 3 COO - + H + + 2H 2 Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetat hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật metan ở giai đoạn sau sử dụng như là chất nền cùng với CO 2 . Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó (bởi vi khuẩn axetat hóa) sẽ giảm mạnh. Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác. Khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6.8 – 7.8 và 35 – 42 o C. • Giai đoạn tạo metan Đây là bước cuối cùng trong cả quá trình phân giải kỵ khí tạo sản phẩm mong muốn là khí sinh học với thành phần có ích là khí metan bằng các tổ hợp các con đường sau: - Con đường 1: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Loại VSV hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là hydro và CO2. Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này. - Con đường 2: CH3COOH → CO2 + CH4 4CO + 2H2O → CH4 + 3CO2 Loại VSV acetotrophic methanogen chuyển hóa axetat thành metan và CO2. Khoảng 70% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này nhỏ. CO2 giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1. Chỉ có 1 số loài VSV metan sử dụng được cơ chất là CO. - Con đường 3: CH 3 OH + H2 → CH 4 + 2H 2 O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Loài VSV methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm metyl. Chỉ một lượng không đáng kể metan được sinh ra từ con đường này. Nhiều nghiên cứ trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp. Về hóa sinh trong giai đoạn lên metan tất cả các hợp chất hữu cơ phức tạp đều chuyển về sản phẩm cuối cùng là CO2, H2 và CH4 được mô ta như sau: i Trong 3 giai đoạn đầu (thủy phân, acid hóa và acetic hóa) thì lượng COD hầu như không giảm. COD chỉ giảm trong giai đoạn methane hóa. Ngược với quá trình hiếu khí, trong xử lý nước thải bằng phân hủy kị khí, tải trọng tối đa không bị hạn chế bởi chất phản ứng như oxy. Nhưng trong công nghệ xử lý kỵ khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng 1) Duy trì sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt; 2) Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn. Khi hai yếu tố trên được đáp ứng, công trình xử lý kỵ khí có thể áp dụng tải trọng rất cao. Nguyên lý xử lý kỵ khí: a) Quá trình lên men acid (phân hủy hợp chất cao phân tử): Cellulose  acetate + rượu Lipid  acid hữu cơ Protein  H 2 + CO 2 + NH 3 + H 2 S b) Chất hữu cơ đơn giản  acid béo + chất hữu cơ hòa tan c) Quá trình methane hóa (lên men metan) Lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH 4 Không có sự hiện diện của Oxy Cần nhiệt độ cao IV. Các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lý kỵ khí Trong các bể xử lý sinh học các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Có nhiều nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa hỗn hợp chất hữu cơ phức tạp thành CH 4 , CO 2 và chúng hoạt động theo mối quan hệ synergy (Archer và Kirsop,1991; Barner và Fitzgeral,1987; Sahm, 1984; Sterritt và Lester, 1988; Zeikus, 1980). IV.1 Nhóm VK thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số vi sinh vật) Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (Protein , Cellulose, Lignin, Lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như Acid Amin, Glucose, Acid béo, Glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn thứ 2 trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như Cellulose, Protease, Lipase. Tuy nhiên quá trình thủy phân xảy ra tương đối chậm và có thể [...]... của nước thải luôn luôn > 6,2 vì ở pH < 6,2 – vi sinh vật chuyển hóa methane không hoạt động được Cần lưu ý rằng chu trình sinh trưởng của vi sinh vật acid hóa ngắn hơn rất nhiều so với vi sinh vật acetate hóa (2 – 3 giờ ở 350C so với 2 – 3 ngày, ở điều kiện tối ưu) Do đó, trong quá trình vận hành ban đầu, tải trọng chất hữu cơ không được quá cao vì vi sinh vật acid hóa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với... xuất hiện trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ sinh học đáp ứng được những điều kiện cơ bản Một trong những lý thuyết để giải thích quá trình tạo hạt của bùn là lý thuyết “spaghetti”, trong đó vi sinh vật dạng sợi đan xen vào nhau tạo thành một vi n nấm (vi n spaghetti) Các vi n ban đầu này có thể hình thành một bề mặt lôi kéo các vi sinh vật khác tham gia vào quá trình phân huỷ... năng ổn định của chúng Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn được mô tả trong Hình 1 Hình 1 Quan hệ giữa những nhân tố sinh học và vật lý trong quá trình tạo hạt của bùn [5] IV.2 Chất lượng bùn hạt Chất lượng của bùn hạt phụ thuộc vào nhiều đặc tính: các đặc tính sinh học và các đặc tính vật lý của bùn Các đặc điểm lý học quan trọng nhất của bùn hạt trong các mô... chế tạo thành bùn hạt có thể được minh hoạ trong Hình 2 Hình: Vi n nấm (vi n spaghetti) Hình 2 Lý thuyết spaghetti trong vi c tạo thành bùn hạt [1] I: Các vi khuẩn methan khác nhau III: Tạo thành vi n spaghetti spaghetti và tạo thành bùn hạt IV.4 II: Đan chéo nhau tạo thành bông IV: các vi khuẩn kỵ khí gắn lên bề mặt vi n Những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo hạt của bùn Để quá trình tạo hạt của... lượng khí sinh ra để biết được sự phát triển của các vi khuẩn sinh metan IV Lý thuyết Spaghetti trong vi c tạo thành bùn hạt IV.1 Những đặc tính của bùn hạt kỵ khí Bùn hạt được xem là một sinh khối có một số đặc tính xác định Các đặc tính của bùn hạt được nêu lên bởi bao gồm: vận tốc lắng cao, có một độ bền cơ học nhất định, hoạt tính tạo khí methan và hoạt tính khử sunfate cao Về phương diện vi sinh học,... nhưng lượng bùn sinh ra không nhiều dẫn đến giảm được chi phí xử lý bùn phát sinh Lượng bùn sinh ra dễ dàng tách khỏi nước Đạt hiệu quả cao trong vi c xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao - Tạo nguồn năng lượng có ích từ khí metan - V.2 Nhược điểm - Diện tích xây dựng mặt bằng tương đối lớn Quá trình khởi động bể tốn thời gian (giai đoạn nuôi cấy bùn hạt), khó kiểm soát quá trình Tăng sinh khối chậm... dạng bậc thang, khi hiệu suất loại bỏ COD đạt 80% Duy trì nồng độ acetat ở mức thấp ( . kiện tốt nhất cho các vi sinh vật phát triển. Phương pháp xử lý sinh học được chia làm 2 loại: Phương pháp kỵ khí: sử dụng vi sinh vật kỵ khí , hoạt động. tố vi lượng. CHƯƠNG II: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KỴ KHÍ I. Cơ sở lý thuyết Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy