Vấn đề: mô tả quá trình sinh học kỵ khí và hiếu khí trong xử lý nước thải. Giải quyết vấn đề 1. Định nghĩa nước thải Theo hiến chương Châu Âu: Ô nhiễm là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp và nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã. Theo TCVN 5980-1995, ISO 6/07/1-1980: nước thải là nước được con người thải ra sau khi đã sử dụng hoặc được tạo ra trong 1 quá trình công nghệ và không còn giá trị trực tiếp đối với quá trình đó. 2. Các tính chất của nước thải 2.1. Tính chất vật lý Các yếu tố như nhiệt độ, độ nhớt, dòng chảy thay đổi: Nhiệt độ của nước thải tăng, tốc độ lắng của tạp chất tăng, đồng thời hoạt động sống của vi sinh vật phát triển mạnh. Màu của nước thải đục, có màu xám đục hoặc đen, mùi hôi thối. Màu và mùi của nước thải là kết quả của sự phân hủy các tạp chất vi sinh vật. 2.2. Tính chất hóa học Nước thải có hàm lượng các chất hóa học tăng cao: các hợp chất hữu cơ như protein, dầu mỏ, chất tẩy rửa; các hợp chất vô cơ như kiềm, acid, lưu huỳnh… Chỉ số COD (Chemical Oxygen Demand), nhu cầu ôxy hóa học, biểu thị mức độ ô nhiễm của nước, phản ánh toàn bộ các chất hữu cơ có chứa trong nước thải cơ thậm chí cả 1 ít chất vô cơ. 2.3. Tính chất sinh học Nước thải những đặc trưng sinh học khác xa với sạch, hàm lượng các chất hữu cơ hòa tan, các loại sinh vật thủy sinh và vi sinh vật gây ô nhiễm và gây bệnh. Nước thải thường có nồng độ BOD (Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu ôxy sinh hóa cao hơn nhiều lần so với nước sạch. Hệ vi sinh vật của nước thải: hê vi sinh vật của nước thải chủ yếu có nguồn gốc từ đất và rác thải. Hệ sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ các chất hữu cơ hòa tan, chất độc… Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm sạch nước thải trong vòng tuần hoàn vật chất. 3. Các phương pháp xử lý nước thải Có nhiều phương pháp xử lý nước thải như phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. Biện pháp vật lý xử lý nước thải: sử dụng các tính chất vật lý (trọng trường, ly tâm, lắng…) để xử lý nước thải. Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả xử lý chất lơ lửng cao. Các công trình xử lý cơ học được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải là: song/ lưới chắn rác, khuấy trộn, lắng, tuyển nổi, lọc, bay hơi, Biện pháp hóa học xử lý nước thải: sử dụng các hợp chất hóa học để xử lý, thông thường tiến hành bằng cách loại keo tụ, Clor, javel, thuốc sát trùng…Biện pháp hóa học thường được sử dụng kết hợp với biện pháp vật lý để tăng hiệu quả, tuy nhiên lại ít được áp dụng do giá thành cao và có khả năng sinh ra các sản phẩm phụ khác có tính độc hại. Biện pháp sinh học xử lý nước thải: phương pháp xử lý sinh học đang là phương pháp tối ưu nhất do chi phí thấp nhưng lại có hiệu quả cao và đảm bảo an toàn. Mặt khác, phương pháp này còn có thể thu được sản phẩm phụ có giá trị kinh tế và tái sử dụng năng lượng, làm tăng hiệu quả kinh tế của phương pháp. Mục đích của việc sử dụng biện pháp sinh học xử lý nước thải là lên men phân hủy các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng là là chất khí (C0 2 , N 2 , CH 4 , H 2 S), các chất vô cơ và tế bào mới. 4. Phương pháp sinh học xử lý nước thải 4.1. Cơ sở sinh học của biện pháp Trong nước sạch, thành phần các chất hóa học sinh học thường rất nhỏ, một lượng nhỏ vi sinh vật hình thành nên hệ sinh thái thủy sinh – hệ sinh thái này trong nước sạch đạt trạng thái cân bằng. Khi nước bị nhiễm bẩn, hệ sinh thái thủy sinh bị phá vỡ tính cân bằng, một số tính chất của nước bị thay đổi làm cho nước không sử dụng được, và là tác nhân nguy hiểm tới sinh hoạt và đời sống. Trong nước thải, các vi sinh vật ngày càng tăng, đến một lúc nào đó số lượng của chúng sẽ giảm xuống mức bình thường, nước được làm sạch, các chất hữu cơ được oxy hóa thành CO 2 và H 2 O. Khi nước được làm sạch, hệ sinh thái thủy sinh cân bằng trở lại, các tính chất của nước được phục hồi, lúc này nước có thể sử dụng bình thường. Quy trình sinh học xử lý nước thải được xây dựng dựa trên cơ sở của hiện tượng trên, quy trình được thực hiện bằng các biện pháp xử lý hiếu khí, kỵ khí. Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. 4.2. Biện pháp sinh hoc hiếu khí xử lý nước thải Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy. Nguyên tắc của phương pháp xử lý hiếu khí: Phương pháp hiếu khí dùng để loại các chất hữu cơ, vô cơ dễ bị vi sinh vật phân huỷ ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các loại vi sinh hiếu khí oxy hoá bằng oxy hòa tan trong nước. i. Oxy hóa cơ chất C X H Y O Z + O 2  CO 2 + H 2 O + năng lượng ii. Tổng hợp xây dựng tế bào C X H Y O Z + O 2  tế bào VSV +CO 2 + H 2 O + C 5 H 7 NO 2 iii. Tự ôxy hóa chất liệu tế bào (tự phân hủy) C 5 H 7 NO 2 + 5O 2  5CO 2 + 2H 2 O + NH 3 ± năng lượng Điều kiện cần thiết cho quá trình: ph = 5.5 – 9.0, nhiệt độ 5 - 40 o c. Phân loại các công nghệ hiếu khí xử lý nước thải: phương pháp hiếu khí thường có 3 công nghệ chính là sinh trường lơ lửng ( Aerotank, hiếu khí tiếp xúc, xử lý sinh học theo mẻ); hồ sinh học hiếu khí; sinh trưởng dính bám (lọc hiếu khí, lọc sinh học nhỏ giọt, đĩa quay sinh học). - Aerotank: là công trình xử lý nước thải có dạng bể được thực hiện nhờ bùn hoạt tính và cấp oxy bằng khí nén hoặc làm thoáng, khuấy đảo liên tục. Với điều kiện như vậy, bùn được phát triển ở trạng thái lơ lửng và hiệu suất phân hủy (oxy hóa) các hợp chất hữu cơ là khá cao. - Lọc hiếu khí: Hoạt động nhờ quá trình dính bám của một số vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu giá thể. Do quá trình dính bám tốt nên lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài nên có thể xử lý ở tải trọng cao. Tuy nhiên, hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triển nhanh chóng của vi sinh hiếu khí nên thời gian hoạt động dễ bị hạn chế. - Lọc sinh học nhỏ giọt: Là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập trong nước. Các vật liệu lọc có độ rỗng và diện tích tiếp xúc trong một đơn vị thể tích là lớn nhất trong điều kiện có thể. Nước đến lớp vật liệu chia thành các dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu, đồng thời tiếp xúc với màng sinh học ở trên bề mặt vật liệu và được làm sạch do vi sinh vật của màng phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có trong nước. - Đĩa quay sinh học: Gồm hàng loạt đĩa tròn, phẳng được lắp trên một trục. Các đĩa này được đặt ngập trong nước một phần và quay chậm khi làm việc. Khi quay màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ có trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy khi ra khỏi đĩa. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa được tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải. Vì vậy, chất hữu cơ được phân hủy nhanh. - Động học quá trình sinh học hiếu khí xử lý nước thải: quá trình ôxy hóa xử lý nước thải trải qua 3 giai đoạn chính: (1). Tốc độ ôxy – hóa bằng tốc độ tiêu thụ ôxy ( còn được gọi là pha làm quen). (2). Vi sinh vật phát triển ổn định, tốc độ tiêu thụ ôxy cũng ít thay đổi, giai đoạn này các cơ chất bị phân hủy nhiều nhất, hoạt tính enzyme đạt cực đại. (3). Sau một thời gian tốc độ ôxy hóa không thay đổi, lại thấy tốc độ tiêu thụ ôxy tăng lên ( giai đoạn Nitrat hóa muối Amon). Cuối cùng, nhu cầu ôxy giảm (cần kết thúc quá trình xử lý hiếu khí trong giai đoạn này – làm việc theo mẻ). Sinh khối tế bào tạo ra cần được thu gom, nếu không sẽ gây ra hiện tượng ô nhiễm thứ cấp do sinh khối vi sinh vật sẽ tự phân hủy. - Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh học hiếu khí xử lý nước thải:  Lượng oxy hòa tan: các vi sinh vật hiếu khí xử lý nước thải hoạt động trong điều kiện hiếu khí, do đó cần đảm bảo nồng độ oxy trong nước thải để các vi sinh vật có thể hoạt động đạt hiệu quả cao nhất.  Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật: đây cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới sự hoạt động hiệu quả của vi sinh vật. Thông thường áp dụng biện pháp hiếu khí khi trong nước thải có nồng độ các chất hữu cơ cao.  Nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải đảm bảo cho quá trình hiếu khí làm việc hiệu quả.  Các chất có độc tính trong nước thải có tác dụng ức chết đến đời sống của vi sinh vật.  pH của nước thải: các vi sinh vật hoạt động tốt trong điều kiện ph khoảng 6,5 - 8,5.  Nhiệt độ: các vi sinh vật hiếu khí chủ yếu là nhóm ưa ấm. ảnh hưởng của nhiệt độ tới đời sống sinh vật được biểu thị qua phương trình:         Trong đó: r t : tốc độ phản ứng ở T 0 C R 20 : tốc độ phản ứng ở 20 0 C Ɵ: hệ số hoạt động do nhiệt độ ( ˜1,02 – 1,09, lấy giá trị trung bình là 1,04) T: nhiệt độ nước  Nồng độ chất lơ lửng dạng huyền phù trong nước: ảnh hưởng trực tiếp tới việc tiếp xúc với các chất hữu cơ và oxy của vi sinh vật. 4.3. Biện pháp sinh học kỵ khí xử lý nước thải Quá trình sinh học kỵ khí xử lý nước thải là quá trình sử dụng vi sinh vật phân giải hợp chất hữu cơ trong môi trường không có ôxy, sản phẩm của nó là hỗn hợp khí hữu cơ, trong đó CH 4 chiếm 65%-70%, ngoài ra còn có một số loại khí khác như H2, N2, CO2 Nguyên lý: Quá trình phân hủy kị khí là quá trình sinh hóa phức tạp trong điều kiện không có ôxy phân tử, tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung, phân hủy các hợp chất hữu cơ thành khí metan (CH4). Quá trình có thể biểu diễn bằng phương trình: (CHO) n NS  CO 2 + H 2 O + NH 4 + + H 2 S + CH 4 + H 2 +vi sinh vật Quá trình xảy ra với 4 giai đoạn chính: (1). Giai đoạn thủy phân: các hợp chất hữu cơ phức tạp chuyển thành những đơn phân hòa tan. Giai đoạn này diễn ra chậm, nhóm vi sinh vật chủ yếu trong quá trình thủy phân là E.coly và B. Subtilus. (2). Giai đoạn acid hóa: vi khuẩn lên men chuyển hóa các hợp chất hòa tan thành chất đơn giản acid béo dễ bay hơi (acetic, propionic, formic, lactic, succinic…) ngoài ra còn có các chất như aceton, etanol, metanol…. Các vi khuẩn chủ yếu là vi sinh vật kỵ khí tùy tiện: clostridium, lactobacillus, desulfobacter, staphylococsus (3). Giai đoạn Acetic hóa: Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, CO 2 , H 2 . Các acid đã tạo ra ở giai đoạn 2 tiếp tục biến đổi tạo thành acetic acid, muối amoni, sau đó biến đổi thành muối bicacbonat amon, hoặc phân hủy trong môi trường nước tạo thành nước và carbon dioxide. Quá trình phụ thuộc vào lượng NH4+ sinh ra trước đó – đây là giai đoạn kiềm hóa trở lại môi trường nước Các nhóm sinh vật chủ yếu là nhóm methalno bacterium, M-sarrcina (4). Giai đoạn Metal hóa: Phân giải các hợp chất hữu cơ đơn giản (sản phẩm của 3 giai đoạn trước) thành khí metal và CO 2 . Các vi khuẩn phân giả các hợp chất nhất định như acetate, etanol, methyl amine Các nhóm vi sinh vật chính: biến đổi acetat và nhóm biến đổi Hidrogen. - Nhóm biến đổi acetat: tốc độ phản ứng chậm, phản ứng diễn ra chậm, cần có thời gian lưu. - Nhóm biến đổi hidrogen diễn ra nhanh hơn, nó giữ vai trò chủ yếu trong quá trình sinh metal. Quá trình biến đổi Hidrogen cần được kiểm soát nồng độ Hidrogen, nông độ Hidrogen tăng cục bộ sẽ làm cho các chất chuyển hóa ngược Phân loại: sinh học kỵ khí xử lý nước thải có thể có 2 công nghệ là sinh trưởng lơ lửng (tiếp xúc kỵ khí, bể UASB) và sinh trưởng dính bám (như quá trình lọc kỵ khí). - Quá trình tiếp xúc kỵ khí: Một số loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao có thể xử lý rất hiệu quả bằng quá trình tiếp xúc kỵ khí. Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hoàn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hoàn toàn. Sau khi phân hủy, hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn được tuần hoàn trở lại bể kỵ khí. Lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm. - Quá trình lọc kỵ khí: Nước thải đưa vào phân phối đều theo diện tích đáy bể đi lên tiếp xúc với khối bùn lơ lửng ở dưới lớp lọc, một số chất thải được giữ lại ở đây dòng nước tiếp tục tiếp xúc với lớp vật liệu lọc tạo màng vi sinh dính bám - Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh học kỵ khí:  Điều kiện oxy: trong phương pháp này, oxy được coi là độc tố của quá trình phản ứng. Việc kiểm soát chặt chẽ nồng độ oxy cho hiệu quả quá trình cao hơn.  Nguyên liệu: phương pháp này thường áp dụng với các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm đậm đặc, trong quá trình xử lý cần tiến hành các biện pháp khuấy trộn.  Điều kiện nhiệt độ: trong quá trình xử lý, nhiệt độ được chia làm 3 vùng: 45 0 c – 60 0 c, 20 0 c – 45 0 c, nhỏ hơn 20 0 c. Nhiệt độ tối ưu là 40 0 c – 45 0 c.  Quá trình diễn ra trong mùa hè tốt hơn trong mùa đông ( 92% so với 60%)  Điều kiện ph: ph trong khoảng 6,5 – 8,5 là tối ưu cho phân giải kỵ khí.  Khi ph nhỏ hơn 6, quá trình phân giải ngừng hoạt động.  Độc tố: ccl4, clorofoc, kim loại nặng ( 1mg/l gây độc cho vi sinh vật).  Thời gian lưu khí thủy vực: thời gian không được quá ngắn hay quá dài, tối ưu trong 6h - 12h, một số hệ thống đặc biệt có thời gian lưu trong 25 ngày- 30 ngày. 5. So sánh 2 phương pháp sinh học xử lý nước thải Hai quá trình sinh học kỵ khí và hiếu khí đều tuân theo một quy trình chung, loại bỏ các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong nước, đều sử dụng vi sinh vật làm “phương tiện” xử lý. Các loại vi sinh vật tuân theo một quá trình sinh trưởng. Trong đó: 1 – giai đoạn làm quen ( pha tiệm phát) 2 - sinh sản bằng phân đôi tế bào (tăng theo logarit) 3 – giai đoạn chậm dần 4 – giai đoạn ổn định 5 – giai đoạn suy giảm (oxy hóa nội sinh) Tiêu chí so sánh Phương pháp hiếu khí Phương pháp kỵ khí Tốc độ Tốc độ xử lý nhanh Tốc độ xử lý chậm hơn Năng lượng Quá trình cần có các biện pháp thông khí (tiêu tốn năng lượng) Quá trình không tiêu tốn năng lượng, mặt khác còn tạo ra năng lượng khí gas Nước thải Thích hợp với nước thải ô nhiễm trung bình hoặc nhẹ Thích hợp với nguồn ô nhiễm nặng (COD, BOD cao, nồng độ kim loại nặng thấp Mùi hôi thối Ít mùi hôi thối Sinh ra nhiều khí có mùi hôi thối như H 2 S, CH 4 , các hợp chất Nitơ. Tạo bùn Tạo 500-700g bùn/ 1kg BOD Tạo 80-200b/1kg BOD Tách chất rắn Khả năng tách chất rắn cao Khó lắng cặn, nhiều chất lơ lửng Khả năng bị ức chế Chịu ảnh hưởng nhỏ từ điều kiện thành phấn nước thải Nhạy cảm với các chất ức chế. Nồng độ kim loại nặng và chất hữu cơ bền vững. Oxy như là một chất độc Thu hồi năng lượng Không có năng lượng thu hồi Thu hồi được năng lượng dưới dạng khí sinh học (Biogas) Hiệu quả xử lý Xử lý nước thải có đầu ra cao Chi phí giá thành cao Nước thải đầu ra có chất lượng trung bình. Chi phí thấp 6. Kết luận Mỗi công nghệ xử lý nước thải lại có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau, tuy nhiên chúng vẫn đáp ứng được những tiêu chuẩn xử lý nước thải nhất định Trong thực tiễn, người ta thường kết hợp các công nghệ này với nhau, và kết hợp với các phương pháp khác, nhằm đạt được hiệu quả xử lý tối ưu nhất, . sinh hoc hiếu khí xử lý nước thải Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy. Nguyên tắc của phương pháp xử lý hiếu khí: . tới quá trình sinh học hiếu khí xử lý nước thải:  Lượng oxy hòa tan: các vi sinh vật hiếu khí xử lý nước thải hoạt động trong điều kiện hiếu khí, do đó cần đảm bảo nồng độ oxy trong nước thải. Aerotank, hiếu khí tiếp xúc, xử lý sinh học theo mẻ); hồ sinh học hiếu khí; sinh trưởng dính bám (lọc hiếu khí, lọc sinh học nhỏ giọt, đĩa quay sinh học) . - Aerotank: là công trình xử lý nước thải