Các quá trình vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thiên nhiên

Một trong những phương pháp đơn giản nhất để xử lý nước thiên nhiên là lắng. Khi lắng, những hạt lơ lửng nặng sẽ lắng xuống. Vi khuẩn hấp phụ và dính vào các hạt đó cũng dính và lắng theo. Kết quả nồng độ các chất lơ lửng, lượng nitơ amôn, vi khuẩn giảm đi rất nhiều, thậm chí trong một số trường hợp giảm được cả màu.

Có thể thực hiện việc lắng nước trong các hồ lớn - gọi là hồ sơ lắng. Với thời gian, nước lưu lại trong đó 5-7 ngày thì lượng vi khuẩn đường ruột giảm tới 90%. Tuy nhiên còn 10% chúng vẫn có thể tồn tại được mấy tuần hoặc hàng tháng. Khoảng thời gian này tùy thuộc mức độ trong sạch của nước. Nước càng bẩn thì vi khuẩn gây bệnh càng chóng chết, vì sẽ có sự đối kháng cạnh tranh giữa những loài vi sinh vật.

Khi sơ lắng trong mấy ngày đầu sẽ diễn ra quá trình tự làm sạch. Tuy nhiên, thời gian sơ lắng càng kéo dài thì sẽ diễn ra quá trình ngược lại, chất lượng của nước sẽ kém đi, vì sẽ phát hiện và phát triển tảo rêu, năng lượng của ánh sáng mặt trời sẽ biến thành sinh khối của chúng và khi chúng chết sẽ làm nồng độ chất hữu cơ tăng lên, xuất hiện vi sinh vật thối rửa, nước sẽ có mùi vị xấu, giảm lượng oxy hòa tan, thế năng oxy hóa bị giảm. Kết quả sẽ gây khó khăn cho việc xử lý tiếp theo. Để chống sự phát triển tảo (nở hoa) trong các hồ lắng, người ta dùng các biện pháp như: thả cá, che tối bể, dùng các alhycide.

Trong thực tế, người ta thường lợi dụng địa hình tự nhiên, chẳng hạn các vịnh cạnh bờ sông làm hồ sơ lắng thì sẽ rất kinh tế. Trong công nghệ xử lý nước thiên nhiên người ta xây dựng nhiều loại bể lắng khác nhau với thời gian lắng khác nhau tùy thuộc chất lượng nước, các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật và công nghệ. Ở tất cả các loại hồ, bể lắng, thường thấy nhiều loại thực vật phù du và nhiều tảo xanh lam, khuê tảo tạo thành màng mỏng gọi là rêu. Trên các màng mỏng, rêu lại có cả các loài động vật phù du. Ngoài ra cần phải thấy rằng ở các bể lắng còn diễn ra những quá trình sinh hóa liên quan đến việc phân giải các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí.

Bể lọc chậm: Trong số các công trình xử lý nước thiên nhiên thì bể lọc chậm là công trình liên quan nhiều nhất tới vi sinh vật. Ngay từ đầu khi sáng tạo ra loại công trình này, người ta muốn tái tạo các quá trình sinh hóa tự nhiên giống như khi cho nước thấm lọc qua đất. Nhưng không những chỉ đơn thuần tái tạo những điều kiện tự nhiên đó, mà người ta còn xây dựng những công trình nhằm cải thiện điều kiện tự nhiên theo hướng có lợi hơn nữa.

Lớp trên cùng của vật liệu lọc là lớp cát hạt nhỏ. Ở đó sẽ giữ lại các hạt chất bẩn và hình thành những quần lạc sinh vật, diễn ra các quá trình sinh học và làm sạch nước. Những quần lạc bao gồm nhiều nhất là những vi sinh vật khoáng hóa (oxy hóa nitơ của muối amôn thành nitrit, rồi nitrat, H₂S thành muối sulfat…) và một ít động thực vật phù du. Tất cả những quần lạc sinh vật sẽ tạo nên màng sinh vật dày đặc. Tuy nhiên chiều dày của lớp cát có màng sinh vật này chỉ vài cm mà thôi vì những vi sinh vật này chủ yếu là loại hiếu khí nên sống trên bề mặt bể lọc. Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả công tác của bể là: nhiệt độ, vận tốc, kích thước hạt. Nếu hạt cát quá nhỏ thì bể nhanh chóng bị ứ tắc; nếu hạt quá lớn thì không giữ được các chất lơ lửng ở màng sinh vật mà đi theo nước lọc.

Kích thước hạt ở lớp lọc thường 0.2 – 0.4mm. Vì hạt rất nhỏ nên lớp trên cũng chóng bị vít tắc và khoảng từ 2-10 tuần phải xúc lớp đó để rửa hoặc thay mới. Tốc độ lọc tùy thuộc chất lượng nước và thường chọn 0.1-0.3m/h.

Nhiệt độ là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới quá trình làm sạch nước vì tác nhân hoạt động chủ yếu ở đây là quần lạc sinh vật. Hiệu quả làm sạch nước của bể lọc rất tốt, hơn 99.99% vi khuẩn bị giữ lại. Tốc độ chậm đòi hỏi diện tích bể lọc rất lớn nên ngày nay người ta thường ít dùng bể này. Ngoài ra về mùa hè, nước sông, hồ chứa thường có tảo và làm lớp cát lọc chóng bị ứ tắc.

Bể lọc nhanh: Ở đây chủ yếu diễn ra quá trình vật lý, hóa và hóa lý. Đôi khi chỉ gặp một vài hiện tượng sinh hóa mà thôi. Chẳng hạn khi thời tiết ấm, nitơ amôn bị khử, trong nước lọc, lượng nitrit, nitrat tăng lên.

Khử các chất phóng xạ bằng cách lọc nước: Vi sinh vật nước nói chung và quần lạc sinh vật ở bể lọc nói riêng là tác nhân có thể hấp phụ các chất phóng xạ. Do đó hiệu suất khử các chất phóng xạ của bể lọc rất tốt. Tùy thuộc từng loại chất và nồng độ của các chất trong nước, hiệu suất khử các chất phóng xạ có thể đạt từ 50-96%.

Keo tụ bằng phèn nhôm hoặc sắt là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý nước. Trong nước thiên nhiên chứa nhiều loại hạt keo dạng vi khuẩn, đất sét hoặc hữu cơ. Những ion nhôm có điện tích dương mạnh, còn đa số các hạt keo có điện tích âm. Với giá trị pH thích hợp chúng sẽ hấp phụ rồi keo tụ với nhau và tạo thành bông cặn kết tủa. Ở những điều kiện tĩnh, bông cặn sẽ lắng và kéo theo cả những vi khuẩn. hiệu suất khử vi khuẩn khi keo tụ tùy thuộc loại bể phản ứng và bể lắng, có thể đạt 90-99%.

Giai đoạn kết thúc của việc xử lý nước thiên nhiên là khử trùng. Như ta biết, để tăng hiệu suất khử trùng, trước đó người ta phải loại trừ các chất bẩn hữu cơ, vô cơ trong nước (chỉ trừ một số loại nước ngầm rất sạch, không cần xử lý mới thực hiện khử trùng trực tiếp mà thôi). Vì vậy người ta thường khử trùng sau khi nước ra khỏi bể lọc, trước khi vào bể chứa. Trong bể chứa nước sạch, chlore sẽ gây phản ứng giết chết vi khuẩn.

Những biện pháp khử trùng thông thường chỉ nhằm diệt các loại vi khuẩn không tạo nha bào vì các loại vi khuẩn liên quan đến đường truyền bệnh qua nước đều là những loại không tạo nha bào.

Người ta phân biệt các biện pháp khử trùng cá thể và tập trung. Các biện pháp cá thể như: đun sôi, dùng thuốc viên sát trùng, dùng nước bạc (ion bạc). Các biện pháp tập trung: khử trùng bằng chlore và các biện pháp khác.

Theo Chick, khi dùng một tác nhân vật lý hay hóa học nào đó để khử trùng thì tỷ lệ % giữa lượng vi khuẩn còn sống sót với số vi khuẩn ban đầu là một đại lượng không đổi và được biểu thị bằng công thức:

K - tốc độ chết của vi khuẩn;

t - thời gian tác động của tác nhân diệt trùng;

N₁ - Nồng độ vi khuẩn ban đầu;

N₂ - Nồng độ vi khuẩn còn sống sót;

Ý nghĩa thực tiễn của định luật Chick là ở chỗ: Kết quả khử trùng luôn luôn tùy thuộc mức độ nhiễm khuẩn của nước. Chẳng hạn, cũng là 99% vi khuẩn bị tiêu diệt, nhưng nếu lượng vi khuẩn ban đầu là 100 thì còn sống 1 vi khuẩn, nếu lượng vi khuẩn ban đầu là 10,000 thì còn sống 100 cá thể. Như vậy, nếu nói hiệu suất diệt trùng đều tốt như trường hợp sau thì còn xa mới an toàn.