Vi sinh vật với quá trình xử lý ô nhiễm môi trường nước
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự phát triển của sản xuất và tiêu dùng của khoảng 6 tỉ người dân trên hành tinh hàng năm đã tạo ra một lượng chất thải khổng lồ, từ đó đã gây ra ô nhiễm trầm trọng môi trường sống : ô nhiễm nguồn nước, ...
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự phát triển của sản xuất và tiêu dùng của khoảng 6 tỉ người dân trên hành tinh hàng năm đã tạo ra một lượng chất thải khổng lồ, từ đó đã gây ra ô nhiễm trầm trọng môi trường sống : ô nhiễm nguồn nước, mặt đất và không khí. Trước thực trạng này con người đã và đang tích cực khắc phục tình trạng ô nhiễm, cố gắng trả lại cho hành tinh sự trong sạch ban đầu của nó. Hiện nay, việc xử lý ô nhiễm môi trường được đặt ra một cách khẩn cấp và có ý rất lớn. Nó vừa liên quan đến việc bảo vệ môi trường, tạo cân bằng sinh thái, đồng thời lại giúp tiết kiệm lương thực, nguyên liệu và tạo ra nguồn năng lượng mới.
Trong phần này, đề cập chủ yếu đến vấn đề xử lý ô nhiễm nguồn nước thải mà cụ thể là quan tâm đến vi sinh vật và quá trình xử lý nước thải.
Có rất nhiều loại nước thải khác nhau, thông thường người ta phân làm 2 loại chính:
a. Nước thải sinh hoạt :
Là nước thải từ các khu tập trung dân cư. Nước thải này được sinh ra từ sinh hoạt như ăn uống, tắm giặt cũng như phân, nước tiểu con người hàng ngày thải ra được xả vào hệ thống cống rãnh của thành phố. Trong nước thải loại này có chứa nhiều phân, rác, các hợp chất hữu cơ và muối hoà tan, đặc biệt là chứa nhiều loại vi sinh vật gây bệnh , các loại trứng giun, sán ... Đây là loại nước thải phổ biến và có số lượng nhiều nhất. Mức độ ô nhiễm của loại nước thải này phụ thuộc vào nếp sống văn minh, trình độ dân trí của từng đô thị, của từng quốc gia.
b. Nước thải công nghiệp :
Là loại nước thải của một nhà máy hay khu công nghiệp tập trung với các loại hình sản xuất khác nhau :
- Các nhà máy chế biến thực phẩm như đường, rượu bia, đồ hộp, sữa, giết mổ gia súc...
- Các nhà máy sản xuất nguyên vật liệu như giấy, xà phòng, công nghiệp dệt, công nghiệp hoá dầu, sản xuất các loại hoá chất ...
Ở nước thải công nghiệp, ngoài việc chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ như protein, các dạng carbohydrate, dầu mỡ (từ công nghệ chế biến thực phẩm), hemicellulose, liginin (công nghiệp sản xuất giấy), còn có các hợp chất hoá học khó phân huỷ như các hợp chất vòng thơm có N, các alkyl benzensufonate (công nghiệp sản xuất bột giặt), các loại dung môi, các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân ...
Nói chung, so với nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có các chỉ số BOD (nhu cầu oxygen sinh hoá) và COD (nhu cầu oxygen hoá học) cao hơn nhiều. Nước thải công nghiệp có độ ô nhiễm cao hơn so với nước thải sinh hoạt.
Theo các quy phạm, luật về bảo vệ môi trường, mỗi nhà máy phải có công trình xử lý nước thải của mình trước khi thải ra hệ thống thoát nước của thành phố. Nhưng thực tế cho thấy hiện nay quy định nói trên ít được quan tâm thực hiện nghiêm túc. Nhiều nhà máy còn tuỳ tiện xả trực tiếp nước thải qua xử lý ra hệ thống cống thoát nước của thành phố. Thậm chí có nơi, có lúc còn xả trực tiếp ra đồng ruộng hay khu vực dân cư, sông, rạch gần đó. Kết quả là hiện nay ở các đô thị, tình trạng ô nhiễm sông, rạch, kênh, hồ trở nên phổ biến và nhiều nơi đang ở mức báo động.
Khu hệ vi sinh vật trong nước thải:
Trong nhiều trường hợp, mỗi loại nước thải có một khu hệ vi sinh vật đặc trưng. Nước thải sinh hoạt chứa phân, nước rửa, tắm giặt, thức ăn thừa ... chứa rất nhiều vi khuẩn , trung bình từ vài triệu đến vài chục triệu cá thể trong 1ml. Trong đó chủ yếu là:
- Vi khuẩn gây thối như Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Proteur vulgaris, Bac.cereur, Bac.subtilis, Enterobacter cloacae ...
- Đại diện của các nhóm khác như vi khuẩn phân giải đường, tinh bột, cellulose, urea...
Các vi khuẩn thuộc nhóm Corliform, là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm phân trong nước ở mức độ cao, có thể dao động từ vài nghìn đến vài trăm nghìn cá thể trong 1ml nước thải.
Trong nước thải giàu chất hữu cơ, các vi khuẩn có dạng hình ống giữ vai trò rất quan trọng, trước hết phải kẻ đến một đại diện là vi khuẩn Sphaerotilus natans, thường hay bị nhầm là "nấm nước thải". Nó phủ lên mặt đáy của vùng nước cực bẩn một lớp khối tế bào dày đặc, bằng mắt thường cũng có thể quan sát được. Trên sông nó tạo thành các sợi và các búi. Khi bị đứt ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Bọn này thường phát triển mạnh ở vùng nước có đủ oxygen. Ngoài việc xuất hiện ở nước thải sinh hoạt, Sphaerotilus natans thường được thấy có trong nước thải của các nhà máy cellulose và thực phẩm. Do sự phát triển mạnh của Sphaerotilus, oxygen bị tiêu thụ nhiều. Khi một lượng lớn Sphaerotilus natans tích tụ ở những vùng nước lặn sẽ xuất hiện tình trạng báo động về oxygen. Nó sẽ nhanh chónh làm cho oxygen trong nước biến mất hoàn toàn. Cuối cùng rồi cả khối Sphaerotilus natans cũng chết vì bị thối rửa, H2S sẽ xuất hiện cùng một lúc với một số chất khác.Trong môi trường lúc này khí H2S được tạo thành còn do quá trình phản ứng sulfate hoá của vi khuẩn phản sulfate như Desufovibri desufuricans.
Bên cạnh vi khuẩn, trong nước thải giàu chất hữu cơ cũng có chứa nhiều loại nấm men. Có thể dao động từ vài ngàn đến vài chục ngàn tế bào nấm men trong 1ml. Phổ biến nhất là đại diện của Saccharomyces, kế là Candida, Cryptococcus, Rhodotorula.
Trong nước thải sinh hoạt cũng chứa nhiều bào tử cà sợi nấm mốc. Nấm mốc tiêu biểu là Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum. Giống như Sphaerotilus natans, ở những nơi ô nhiễm mạnh (như nhiễm dịch kiềm fulite của công nghiệp chế biến gỗ), cácc giống nấm này phát triển rộ lên và tạo thành những đám nấm đáng sợ.
Một số nước thải cũng phát hiện nhiều vi khuẩn phản nitrat hoá như Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans; vi khuẩn sinh methane (CH4) ...
Trong nước thải chứa dầu, người ta cũng tìm thấy các vi khuẩn phân giải hydrocarbon như Pseudomonas, Nocardia ...
Trong nước thải có thể còn có một tập hợp khá đông đúc các loài tảo (Alage), gồm khoảng 15.000 loài. Chúng thuộc Tảo silic (Bacillariophyta), Tảo lục (Chlorophyta), Tảo giáp (Pyrrophyta)...
Các tác nhân gây bệnh trong nước thải:
Ngoài những nhóm sinh lý khác nhau của vi sinh vật có trong nước thải đã nói trên, người ta còn đặc biệt quan tâm đến sự có mặt của các vi sinh vật gây bệnh , đặc biệt là ở những địa phương còn tệ nạn phóng uế bừa bãi trên sông rạch hoặc hệ thống nhà vệ sinh chưa hợp lý.
Các vi sinh vật gây bệnh thường không sống lâu trong nước thải vì đây không phải là môi trường thích hợp, nhưng chúng cũng có thể tồn tại trong một thời gian nào đó tuỳ từng loại vi khuẩn. Trong thời gian này nếu gặp điều kiện thuận lợi, tiếp xúc với người, gia súc, chúng sẽ gây các bệnh truyền nhiễm. Trong số các đối tượng gây bệnh sống trong nước, phải kể đến một số đại diện gây các bệnh rất nguy hiểm và rất phổ biến là:
- Vi khuẩn gây bệnh thương hàn (Salmonella dysenteria) : Vi khuẩn này sống được trong nước tuỳ thuộc vào chất dinh dưỡng và nhiệt độ của nguồn nước. Thông thường sống được trong vòng 20 ngày vào mùa hè và 60 ngày vào mùa đông.
- Vi khuẩn gây bệnh kiết lỵ (Shigella) : Sống tối đa 12 ngày ở 200C trong nước cống, và nhiệt độ càng thấp chúng càng sống lâu hơn.
- Xoắn khuẩn (Leptospira) : Gây nên các chứng sưng gan, sưng thận và tê liệt hệ thần kinh trung ương. Chúng có thể sống tối đa 33 ngày ở 250C.
- Trực trùng đường ruột (E. Coli): Có thể sống tối đa trong nước thải từ 9 đến 14 ngày ở 200C.
- Vi khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis) : Cũng sống tối đa được 3 tuần trong nước thải.
- Phẩy khuẩn tả (Vibrio cholcra) : Sống tối đa 13 ngày trong nước thải.
- Các virus (Adenovirus, Echo, Coxsackie ...) cũng có chu kỳ sống ngắn như các vi khuẩn.
Các vi khuẩn gây bệnh nói trên phân tán tương đối chậm trong đất khô, trong đó nước phân tán theo chiều ngang cũng ít (khoảng 1m), trong khi đó ảnh hưởng theo chiều sâu khá nhiều (khoảng 3m).
Vai trò của vi sinh vật trong sự tự làm sạch của các nguồn nước
Trước khi đề cập đến các biện pháp tích cực của con người nhằm xử lý ô nhiễm môi trường nước, chúng ta cần xem xét một hiện tượng rất đáng được quan tâm trong tự nhiên. Đó là quá trình tự làm sạch các nguồn nước do các yếu tố sinh học mà trong đó vi sinh vật đóng một vai trò rất quan trọng.
Các ao hồ, dòng sông cũng như một số vùng bờ biển luôn bị làm bẩn với các mức độ khác nhau do rác và nước thải của con người. Việc làm sạch các nguồn nước này có một ý nghĩa rất to lớn. Nhờ các quá trình này, các chất bẩn thường xuyên loại khỏi môi trường nước. Ta sẽ xem xét quá trình tự làm sạch các nguồn nước xảy ra như thế nào.
Ở đây các quá trình vật lý, hoá học như các hiện tượng sa lắng và oxy hoá giữ một vai trò quan trọng, song đóng vai trò quyết định vẫn là các quá trình sinh học. Tham gia vào các quá trình tự làm sạch này có rất nhiều loại sinh vật, từ các loại cá, chim đến nguyên sinh động vật và vi sinh vật.
Ở chỗ nước thải đổ ra, nước còn đục, có rất nhiều rác cặn bẩn của thức ăn, thường tụ tập nhiều loài chim khác nhau và cả cá nữa. Chúng sẽ nhặt nhạn các mẫu thức ăn lớn và rác thải. Tuy vệy, chúng chỉ có thể sử dụng một phần rất nhỏ của các chất bẩn làm thức ăn. Các động vật bậc thấp mà trước hết là các ấu trùng củau côn trùng, giun và nguyên sinh động vật có vai trò lớn hơn một chút, chúng có thể sử dụng các hạt nhỏ avà cực nhỏ của thức ăn. Song vi khuẩn và nấm giữ vai trò quyết định hơn cả. Chúng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ tồn tại ở thể rắn cũng như hoà tan trong dung dịch nước, và phân giải chúng đến muối vô cơ, CO2 và H2O trong những trường hợp thuận lợi nhất của môi trường. Nói cách khác, trong những điều kiện thuận lợi của môi trường vi sinh vật có khả năng khoáng hoá một cách hoàn toàn nhiều chất bẩn hữu cơ.
Bên cạnh vai trò tích cực của các nhóm vi khuẩn, nấm mốc, trong nước thải còn có các loại tảo cũng đóng góp một phần quan trọng trong quá trình chuyển hoá các chất gây ô nhiễm môi trường khác. Trong nước thải, thông qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxygen cho môi trường. Chúng còn tiết vào môi trường các chất kháng sinh, những chất này là vũ khí lợi hại diệt các mầm bệnh trong nước thải (đặc biệt là khu hệ vi sinh vật gây bệnh đường ruột). Đối với các vi sinh vật gây bệnh, tảo còn gây cản trở sự phát triển của chúng bằng cách gây kiềm hoá môi trường sống của một số vi khuẩn, cạnh tranh nguồn thức ăn đối với các nhóm vi khuẩn này. Ngoài ra tảo còn tiết một số chất có hoạt tính sinh học, giúp kích thích sự phát triển của một số vi sinh vật có lợi trong môi trường nước thải. Một đóng góp không thể không nhắc tới của tảo là một số trong chúng có khả năng hấp thụ mạnh các kim loại nặng (chì, cadimi ...) và các tia phóng xạ.
Thông thường, protein, đường và tinh bột được phân giải nhanh nhất. Cellulose, lignin, mở, sáp bị phân giải chậm hơn nhiều, và sự phân giải xảy ra không hoàn toàn. Do vậy quần thể vi sinh vật cũng thay đổi tuỳ theo tiến độ của sự tự làm sạch và thành phần của chất thải có trong nước thải.
Trong thực tế cho thấy lực tự làm sạch các nguồn nước luôn thay đổi và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sau làm ví dụ :
- Lực tự làm sạch đạt trị số cực đại ở những vùng nước có sự chuyển động mạnh, tạo dòng chảy, làm chia đều nước thải và giúp trao đổi khí giữa nước và không khí xảy ra mạnh. Người ta nhận thấy sự phân giải mạnh các chất bẩn chỉ xảy ra khi có mặt của oxygen. Khi có dòng chảy của nước, oxygen hoà tan được cung cấp nhiều hơn. Ngược lại ở những thuỷ vực thiếu sự chuyển động của nước như ao tù, nơi nước đọng, nước thải đổ vào sẽ bị ứ đọng, thiếu oxygen, sự phân giải các chất bẩn kém. Quá trình tự làm sạch bị cản trở.
- Lực tự làm sạch cũng thay đổi theo mùa. Ở những nước có mùa hè, đông cách biệt về nhiệt độ rõ rệt thì lực tự làm sạch ở mùa hè lớn hơn ở mùa đông. Điều này xảy ra do hai nguyên nhân: vào mùa hè, nhiệt độ cao, có ánh nắng chiếu nhiều sẽ kích thích vi khuẩn phát triển nhanh và các thực vật nổi sẽ cung cấp thêm nhiều oxygen cho nước.
Khi nói đến ảnh hưởng của yếu tố khí hậu, người ta cũng nhận thấy ở vùng nhiệt đới quá trình tự làm sạch xảy ra nhanh hơn nhiều so với vùng ôn đới ...
Quá trình tự làm sạch nguồn nước một cách tự nhiên nói trên chỉ xảy ra ở những địa điểm mà thành phần và số lượng các chất bẩn phù hợp với lực tự làm sạch của các thuỷ vực. Thực tế hiện nay, các thuỷ vực bị chứa quá nhiều nước thải và rác so với khả năng tự làm sạch của nó, ngay cả ở những điều kiện môi trường thuận lợi nhất.
Tóm lại, quá trình tự làm sạch các nguồn nước gây ra do các tác nhân sinh học là một hiện tượng rất quý trong tự nhiên. Hiểu và nắm được quy luật hoạt động của nó, con người đã lợi dụng nó để làm sạch các nguồn nước thải có độ ô nhiễm vừa phải hoặc nước thải qua xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo.
Trong nhiều biện pháp xử lý ô nhiễm, biện pháp sinh học được mọi người đặc biệt quan tâm sử dụng. So với các biện pháp vật lý, hoá học, biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đâu tư, do chi phí năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất khử là ít nhất. Đặc biệt xử lý bằng biện pháp sinh học sẽ không gây tái ô nhiễm môi trường - một nhược điểm mà biện pháp hoá học hay mắc phải. Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả nguồn dầu mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipid, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân ... Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên.
Biện pháp sinh học để xử lý nước thải có thể làm sạch hoàn toàn các loại nước thải công nghiệp chứa các loại chất bẩn hoà tan hoặc phân tán nhỏ. Do vậy biện pháp này thường dùng sau khi loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi chất thải.
Đối với nước thải chứa các tạp chất vô cơ thì biện pháp này dùng để khử các muối sulfate, muối ammonium, muối nitrate, tức là những chất chưa bị oxy hoá hoàn toàn.
Xử lý sinh học làm sạch nguồn nước cũng là một vấn đề không kém phần quan trọng so với làm sạch không khí, tuy nhiên nó có lịch sử lâu đời hơn nhiều trong việc áp dụng vào thực tiễn. Theo quan điểm của giải pháp kỹ thuật, nó cần vốn đầu tư ít hơn so với làm sạch không khí. Thiết bị làm sạch chỉ là các bể nước chảy, trong đó có sự tham gia của nấm và vi khuẩn (cả hiếu khí và kỵ khí) để phân rã các chất hữu cơ. Trong rất nhiều trường hợp dòng nước thải có chứa các kim loại nặng hoặc các chất hữu cơ khó phân hủy. Mục đích làm sạch nước thải là giải phóng các chất khoáng ở thể rắn hoặc lỏng và chất hữu cơ khỏi nước, trước khi nó chảy vào sông hoặc suối và tạo điều kiện để phân huỷ các chất hữu cơ bằng cách biến đổi chúng bằng enzyme thành các chất tan không độc với môi trường xung quanh.
Hàm lượng các chất hữu cơ được phân rã bởi vi sinh vật được đánh giá theo chỉ số "tiêu thụ sinh học oxy" BOD. Đấy là số lượng oxy cần cho vi sinh vật để oxy-hoá vật liệu hữu cơ trong quá trình hô hấp. Thí dụ BOD5 có nghĩa là số lượng oxy (mg) cần cho vi sinh vật trong quá trình phân rã các chất hữu cơ thời gian 5 ngày. Chỉ số "tiêu thụ hóa học oxy" (COD) biểu thị số lượng oxy cần trong quá trình oxy hóa hóa học hoàn toàn các chất nói trên đến CO2 và H2O.
Để làm sạch nước thải trong các hệ thống làm sạch người ta sử dụng các kỹ thuật xử lý khác nhau, tuy nhiên chúng đều hoạt động theo các giai đoạn sau:
1) Loại bỏ các hạt dễ lắng trong bể lắng cát ở hồ nước thứ nhất.
2) Oxy hóa bằng vi sinh vật các chất hữu cơ hòa tan với việc sử dụng bùn hoạt tính và biofilter.
3) Ủ phần cặn được loại bỏ từ hồ nước thứ nhất và thứ hai ở điều kiện yếm khí trong phần hầm biogas, kết quả nhận được khí methane và cặn. Từ cặn này sau khi loại nước ta sẽ nhận được compost và sử dụng nó để đốt hoặc làm phân.
Sau đó nước trong đã được làm sạch sẽ được đổ trực tiếp vào sông hoặc thông qua hồ chứa nước. Nước được sử lý chứa các sản phẩm của các quá trình khoáng hóa như các ion phosphate, nitrate và ammonia v.v... Khả năng gây nhiễm bẩn các hồ chứa nước có thể loại bỏ được, nếu nước thải được sử dụng để tưới ruộng hoặc làm phân bón cho đất trồng rừng. Nói chung các giải pháp kỹ thuật của vấn đề làm sạch nước thải có rất nhiều phương án.
BẢNG 7.4 : Nồng độ giới hạn cho phép của các chất trong nước thải (CCP) đưa vào các công trình làm sạch bằng biện pháp sinh học.
| TÊN CHẤT | CCP (g/m3 nước thải) | TÊN CHẤT | CCP*(g/m3 nước thải) |
| Acid acrylic | 100 | Mỡ bôi trơn | 100 |
| Rượ amylic | 3 | Acid butyric | 500 |
| Aniline | 100 | Đồng (ion) | 0,4 |
| Acetalđehye | 750 | Metacrylamide | 300 |
| Acid benzoic | 150 | Rượu metylic | 200 |
| Benzene | 100 | Acid monochloacetic | 100 |
| Vanadium (ion) | 5 | Arsen (ion) | 0,2 |
| Vinyl acetate | 250 | Nickel (ion) | 1 |
| Vinilinden chlorua | 1000 | Sản phẩm của dâu | 100 |
| Hydroquinol | 15 | Pyridine | 400 |
| Acid dichloacetic | 100 | Tributylphosphate | 100 |
| Dichlocyclohexane | 12 | Triethylamine | 85 |
| Diethylamine | 100 | Trinitrotoluene | 12 |
| Diethyleneglycol | 300 | Triphenylphosphate | 10 |
| Caprolactan | 100 | Phenol | 1000 |
| Rezorcin | 100 | Formaldehyde | 160 |
| Amon rodanua | 500 | Chlobenzene | 10 |
| Chì (ion) | 1 | Toluen | 200 |
| Acid stearic | 300 | Sulphanole | 10 |
| Sulfur (theo H2S) | 20 | Antimon (ion) | 0,2 |
| Kerosene (dầu lửa) | 500 | Crezol | 100 |
| Lactonitryl | 160 |
(*) : Ghi chú: CCP là nồng độgiới hạn cho phép của các chất (g/m3 nước thải)
Ngoài ra, các điều kiện của môi trường như hàm lượng O2, pH, nhiệt độ của nước thải ... cũng phải nằm trong một giới hạn nhất định để bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển bình thường của các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý.
Thành phần và cấu trúc các tác nhân sinh học tham gia xử lý nước thải
Yếu tố quan trọng nhất của biện pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng bùn hoạt tính (activated sludge) hoặc màng sinh vật.
- Bùn hoạt tính cũng như màng sinh vật là tập hợp tất cả các loại vi sinh vật khác nhàu.
- Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 -150 μm. bao gồm các vi sinh vật sống và cơ chất rắn (40%). Những vi sinh vật sống bao gòm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số nguyên sinh động vật, dòi, giun.
Màng sinh vật phát triển ở bề mặt các vật liệu lọc có dạng nhầy, dày từ 1-3mm hoặc hơn. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải, từ vàng xám đến nâu tối. Màng sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn , nấm men, nấm mốc và một số động vật nguyên sinh khác. Trong quá trình xử lý, nước thải sau khi qua bể lọc sinh vật có mang theo các hạt của màng sinh vật với các hình dạng khác nhau, kích thước từ 15 - 30μm, có màu vàng xám và nâu.
Muốn đưa bùn hoạt tính vào các thiết bị xử lý, cần thức hiện một quá trình gọi là "khởi động" tức là quá trình để cho các loại bùn gốc ban đầu (thường kém về khả năng lắng và hoạt tính) được nuôi dưỡng để trở thành loại bùn có hoạt tính cao và tính kết lắng tốt. Có thể gọi đó là quá trình "hoạt hoá" bùn hoạt tính. Cuối thời kỳ "khởi động" bùn sẽ có dạng hạt. Các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ vỡ ra khác nhau khi chịu tác động khuấy trộn. Sự tạo hạt của bùn ở dạng này hay dạng khác phụ thuộc vào tính chất và nồng độ cùa bùn gốc, chất lượng môi trường cho thêm vào để hoạt hoá bùn, phương thức hoạt hoá và cuối cùng là thành phần các chất có trong nước thải.
Loại bùn gốc tốt nhất lấy từ bùn ở các thiết bị xử lý nước thải đang hoạt động. Nếu không có loại này thì có thể lấy loại bùn chưa thích nghi như bùn lấy từ các bể xử lý theo kiểu tự hoại, bùn cống rãnh, kênh vạch ô nhiễm nhiều, bùn phân heo, phân bò đã phân huỷ ... Các vi sinh vật chứa trong bùn này nghèo về số lượng nhưng đa dạng về chủng loại.
Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên
Cơ sở khoa học của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nước dưới tác động của các tác nhân sinh học có trong tự nhiên, nghĩa là thông qua hoạt động tổng hợp của các tác nhân từ động vật, thực vật đến vi sinh vật để làm biến đổi nguồn nước thải bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ, và từ đó tiến tới giảm đước các chỉ số COD và BOD của nước thải xuống tới mức cho phép khiến các nguồn nước này có thể sử dungh tưới cho cây trồng hay dùng để nuôi các loại thuỷ sản.
Biện pháp xử lý này thường áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn không cao hoặc nước thải sinh hoạt
Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các cánh đồng tưới, bãi lọc hoặc hồ sinh học.
Diễn biến của quá trình xử lý như sau: Người ta cho nước thải chảy qua các khu ruộng đang canh tác hoặc những cánh đồng trống không canh tác được ngăn bờ tạo thành những ô thửa, hoặc cho nước thải chảy vào các ao, hồ có sẵn. Nước thải ở trong các thuỷ vực này sẽ thấm qua các lớp đất bề mặt, cặn sẽ được giữ lại ở đáy. Trong quá trình tồn lưu nước ở đây, dưới tác động của vi sinh vật cùng cac loại tảo, thực vật sẽ xảy ra quá trình oxy hoá sinhh học, chuyển hoá các hợp chất hữu cơ phực tạp thành các chất đơn giản hơn, thậm chí có thể bị khoáng hoá hoàn toàn. Như vậy, sự có mặt của oxygen không khí trong các mao quản của đất hoặc oxygen được thải ra do hoạt động quang hợp của tảo và thực vật sẽ là yếu tố quan trọng, cần cho quá trình oxy hoá nguồn nước thải. Càng xuống lớp đất ở dưới sâu lượng oxygen càng ít đi, vì vậy sẽ ảnh hưởng đến quá trình oxy hoá, làm quá trình này giảm dần. Cuối cùng đến một độ sâu nhất định chỉ còn lại hoạt động của vi khuẩn gây quá trình khử nitrat.
Quá trình xử lý này cho thấy ngoài việc làm sạch nguồn nước thải, con người còn sử dụng chính nguồn nước đã được xử lý này để phục vụ tưới cho cây trồng trên đồng ruộng hay để nuôi các loại thuỷ sản.
Tùy theo phương pháp xử lý mà nguồn nước sau xử lý sẽ được ứng dụng khác nhau:
- Ở phương pháp xử lý bằng cánh đồng tưới và bãi lọc chức năng xử lý nước thải là chủ yếu, còn tác dụng phục vụ nông nghiệp (nước tưới cho cây trồng) là thứ yếu.
- Ở biện pháp hồ sinh học thì ngoài nhiệm vụ xử lý bằng nước thải, biện pháp này còn phục vụ cho việc nuôi trồng thuỷ sản, cung cấp nguồn nước tưới cho cây trồng và giúp điều hoà dòng chảy của nước mưa trong hệ thống nước thải của các đô thị.
Ở các đô thị của Việt Nam có rất nhiều ao hồ, sông rạch, do vậy việc xử lý nước thải sinh hoạt thành phố bằng biện pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên là khá thích hợp. Biện pháp này ít tốn kém vốn đầu tư, việc bảo trì, vận hành khồn đòi hỏi có người quản lý thường xuyên. Ngoài ra, các hình thức xử lý này ít nhiều cũng quen thuộc với người dân Việt Nam qua việc trước nay thường sử dụng ao hồ để thả bèo, nuôi tôm cá.
Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo:
Xử lý hiếu khí nước thải :
a. Nguyên lý chung của quá trình oxy hoá sinh học trong điều kiện hiếu khí :
Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu cơ hoà tan, các chất keovà phân tán nhỏ sé được chuyển hoá bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật. Tiếp sau đó là giai đoạn khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào quan màng bán thấm (tức màng nguyên sinh). Các chất vào trong tế bào dưới tác động của hệ enzym nội bào sẽ được phân huỷ. Quá trình phân giải các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong tế bào chất của tế bào sống là các phản ứng oxy hoá khử, có thể biển diễn ở dạng tổng quát như sau :
Sự oxy hóa các chất hữu cơ và một số chất khoáng trong tế bào vi sinh vật nhờ vào quá trình hô hấp. Nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thác được trong quá trình hô hấp mà chúng có thể tổng hợp các chất để phục vụ cho quá trình sinh trưởng, sinh sản... Kết quả là số lượng tế bào vi sinh vật không ngừng được tăng lên.
Các quá trình trên liên tục xảy ra, nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần. Các thành phần thức ăn mới từ môi trường bên ngoài (nước thải) lại khuếch tán và bổ sung thay thế vào. Thông thường quá trình khuếch tán các chất trong môi trường xảy ra chậm hơn quá trình hấp thụ qua màng tế bào, do vậy nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp hơn nơi xa tế bào. Đối với sản phẩm của tế bào tiết ra thì ngược lại, nhiều hơn so với nơi xa tế bào.
b. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến môi trường xử lý
Để bảo đảm quá trình xử lý bằng biện pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí được tiến hành tốt, người ta theo dõi và điều chỉnh các yếu tố môi trường sau đây:
- Oxygen (O2) : Trong các công trình xử lý hiếu khí, O2 là một thành phần cực kỳ quan trọng của môi trường. Công trình phải bảo đảm cung cấp đầy đủ lượng O2 một cách liên tục và hàm lượng O2 hoà tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt hai không nhỏ hơn 2mg/l.
- Nồng độ các chất bẩn hữu cơ phải thấp hơn ngưỡng cho phép. Có nhiều chất bẩn hữu cơ nếu nồng độ quá cao, vượt quá mức cho phép sẽ ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống của vi sinh vật tham gia xử lý, cần kiểm tra các chỉ số BOD và COD của nước thải. Cụ thể: hỗn hợp nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt chảy vào công trình xử lý là bể lọc sinh học phải có BOD toàn phần (BODtp) ≤ 500mg/l, nếu dùng bể aeroten, thì BODtp không được quá 1000mg/l. Nếu nước thải có chỉ số BODtp vượt quá giới hạn nói trên, cần thiết phải dùng nước thải đã qua xử lý hay nước sông đã pha loãng.
- Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật : Để vi sinh vật tham gia thực hiện các quá trình oxy hoá nước thải một cách có hiệu quả, cần thiết phải cung cấp cho chúng đầy đủ các chất dinh dưỡng trong môi trường sống. Lượng các chất dinh dưỡng cần thiết để các quá trình sinh sản xảy ra bình thường không được thấp hơn giá trị nêu ở bảng 7.5.
BẢNG 7.5 : Nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết
(Theo M.X. Moxitrep, 1982)
| BODtp của nước thải (mg/l) | Nồng độ nitrogen trong muối ammonium (mg/l) | Nồng độ phosphortrong P2O5(mg/l) |
| < 500500 - 1000 | 1525 | 368 |
Ngoài nguồn nitrogen, phosphor có nhu cầu như đã nêu ở bảng 7.5, các yếu tố dinh dưỡng khoáng khác như K, Ca, S ... trong nước thải thường cũng đủ cung cấp cho nhu cầu của vi sinh vật, ta không cần phải cho thêm vào nữa.
Các chất dinh dưỡng nói trên rất cần cho hoạt động sống của vi sinh vật tham gia sử lý nước thải, nếu thiếu sẽ kìm hãm và ngăn cản các quá trình oxy hoá sinh học. Nếu thiếu nitrogen một cách lâu dài, ngoài việc cản trở các quá trình sinh hoá, còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng và dễ trôi theo nước ra khỏi bể lắng.
Để xác định sơ bộ lượng các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết đối với nhiều loại nước thải công nghiệp, có thể chọn tỉ lệ sau :
BODtp : N : P = 100 : 5 : 1
Ngoài ra các yếu tố khác của môi trường như pH, t0 cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hoạt động của vi sinh vật trong các thiết bị xử lý. Qua thực nghiệm cho thấy, thường giá trị pH tối ưu cho hoạt động phân giải của các vi sinh vật trong bể xử lý hiếu khí là 6,5 - 8,5 và nhiệt độ của nước thải trong các công trình nằm trong khoảng 60C - 370C.
c. Các dạng công trình xử lý hiếu khí nước thải:
* Để xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí, thường sử dụng hai loại công trình là bể lọc sinh học (biofilter) và bể sục khí (aeroten).
- Bể lọc sinh học (biofilter) :
Là thiết bị xử lý nước thải dựa theo nguyên tắc lọc với sự tham gia của vi sinh vật. Thiết bị này làm bằng bêtông có dạng hình tròn hay hình chữ nhật có hai đáy (hình 7.8). Đáy trên gọi là đáy dẫn lưu, được cấu tạo bằng bêtông cốt thép có thủng lỗ với tổng diện tích các lỗ thủng không nhỏ hơn 5 - 8% diện tích của đáy. Đáy dưới được xây kín, có độ dốc nhất định (để nước dễ dàng chảy về một phía) và thông với bể lắng thứ cấp, là nơi nước thải sau khi xử lý xong đổ ra. Ở bể này nước được lưu lại một thời gian ngắn để được lắng cặn trước khi đổ ra ngoài hoà vào hệ thống thoát nước của thành phố. Chiều cao của bể lọc (hay chiều cao của cột nguyên liệu) sẽ phụ thuộc vào thành phần của nước thải cũng như khả năng oxy hoá của màng sinh vật.
Để tạo điều kiện hiếu khí cho quá trình xử lý, từ phía dưới của đáy dẫn lưu, người ta cho không khí đi lên qua vật liệu lọc hoặc tấm mang bằng thông khí tự nhiên (do chênh lệch nhiệt độ trong bể lọc) hay thổi khí bằng quạt.
Vật liệu dùng trong bể lọc là các loại đá cuội, đá dăm và xỉ than đá (theo phương pháp cổ điển). Hiện nay để tăng diện tích tiếp xúc giữa vi sinh vật và hệ thống nước lọc sinh học, người ta thay các vật liệu lọc bằng những tấm mang làm bằng vật liệu nhẹ, xốp có cấu tạo dạng ống hoặc dạng miếng, được thiết kế sao cho có nhiều nếp gấp khúc (để tăng diện tích bề mặt).
Nước thải có chứa vi sinh vật tham gia xử lý được tưới từ trên xuống lớp vật liệu lọc hay tấm mang theo nguyên tắc chênh lệch thế năng. Khi dòng nước thải chảy qua vật liệu lọc hay tấm mang, vi sinh vật sẽ phát triển tạo thành màng sinh vật bám vàp khắp bề mặt của nguyên liệu lọc và tấm mang, và khu trú ở đây. Như vậy, khi dòng nước thải chảy liên tục với một vận tốc nhất định từ trên bề mặt của bể lọc xuống sẽ tiếp xúc trực tiếp với màng sinh vật. Và lúc đó sẽ xảy ra quá trình oxy hoá các chất bẩn có trong nước thải, để cuối cùng khi đến bể lắng thứ cấp, nước thải sẽ có chỉ số BOD5 giảm đi rất nhiều so với nước thải chưa xử lý.
Trong quá trình vận hành của bể lọc sinh học, sự sinh trường và chết đi của màng sinh vật xảy ra không ngừng. Màng sinh vật bị chết sẽ bị tách ra khỏi nơi bám và bị cuốn theo dòng chảy, chảy ra khỏi bể lọc, cuối cùng sẽ được lắng lại ở bể lắng thứ cấp vùng nơi cặn bùn.
Hiệu quả làm sạch nước thải của bể lọc sinh học khá cao. Nếu hệ thống bể lọc hoạt động tốt có thể xử lý làm giảm 90% chỉ số BOD5 của nước thải.
- Bể sục khí (Aeroten):
Ngoài việc dùng bể lọc sinh học, trong xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học ở điều kiện hiếu khí, người ta có thể sử dụng bể sục khí (aeroten).
Bể sục khí (hình 7.11) là hệ thống bể oxy hoá (1) có dạng hình chữ nhật được ngăn ra làm nhiều buồng (3 đến 4 buồng) nối với bể lắng (2). Giống như ở bể lọc sinh học, quá trình xử lý nước thải ở bể sục khí được tiến hành nhờ hoạt động của hệ vi sinhvật ở bùn hoạt tính. Nhưng quá trình này được thực hiện trong điều kiện có thông khí mạnh nhờ hệ thống sục khí từ dưới đáy bể lên (3). Cường độ thông khí: 5m3/m2/giờ, bảo đảm oxygen tối đa cho quá trình oxy hoá. Ở bể oxy hoá, bùn hoạt tính lấy từ bùn gốc sau khi qua giai đoạn khởi động hay sử dụng bùn lắng lấy từ bể lắng cặn (2) chuyển vào. Ở đây bùn hoạt tính gặp oxygen của không khí được bơm vào bể sẽ tiến hành quá trình oxy hoá và khoáng hoá các chất bẩn trong nước thải một cách khá triệt để. Sau khi chảy suốt qua các buồng của bể oxy hoá, nước thải sẽ chảy vào bể lắng. Ở đây cũng sẽ xảy ra quá trình lắng cặn xuống đáy bể, phần nước ở trên là nước đã được xử lý sẽ được dẫn ra ngoài.
Trong quá trình vận hành, ở bể oxy hoá, theo thời gian lượng bùn hoạt tính sẽ tăng lên, đồng thời cũng tích lũy nhiều tế bào vi sinh vật già cỗi khiến hoạt tính của bùn sẽ giảm. Người ta nói bùn bị già. Vì vậy khi cho bùn thu ở bể lắng trở lại bể oxy hoá, không nhất thiết cho toàn bộ số bùn có trong bể lắng, mà chỉ cho một phần, để bảo đảm nồng độ bùn hoạt tính là 2 - 4g/l.
Xử lý nước thải bằng bể aeroten phức tạp và đòi hỏi nhiều công sức hơn so với bể lọc sinh học. Người ta phải theo dõi liên tục và kịp thời điều chỉnh các chỉ số sau:
+ Nồng độ bùn hoạt tính
+ Chế độ thông khí
+ Nồng độ các chất bẩn trong nước thải
+ Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật.
Xử lý kị khí nước thải
Quy trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học trong điều kiện kỵ khí là quy trình sinh học phân huỷ một cách yếm khí các chất hữu cơ chứa trong nước thải để tạo thành khí CH4, các sản phẩm vô cơ kể cả CO2 và NH3.
Quy trình này có những ưu điểm sau:
- Nhu cầu về năng lượng không nhiều.
- Ngoài vai trò xử lý nước thải, bảo vệ môi trường, quy trình còn tạo được nguồn năng lượng mới là khí sinh học, trong đó CH4 chiếm tỷ lệ 70 - 75%.
- Cũng như xử lý sinh học hiếu khí, ở quy trình này, bùn hoạt tính cũng được sử dụng làm tác nhân gây biến đổi thành phần của nước thải. Bùn hoạt tính được sử dụng ở đây có lượng bùn dư thấp, có tính ổn định khá cao, để duy trì hoạt động của bùn không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng, bùn có thể tồn trữ trong thời gian dài.
- Về mặt thiết bị: Công trình cấu tạo khá đơn giản, có thể làm bằng vật liệu tại chỗ với giá thành không cao.
Bên cạnh những ưu việt nêu trên, cho đến nay quy trình xử lý sinh học kị khí cũng còn có nhưng hạn chế sau :
- Quy trình này nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng của công trình. Do vậy, khi sử dụng cần có sự theo dõi sát sao các yếu tố của môi trường.
- Xử lý nước thải chưa triệt để, cần phải xử lý hiếu khí sau đó.
Thấy được những ưu điểm của loại quy trình này nên các nhà khoa học đã cố gắng đầu tư nghiên cứu từ quy mô pilot với các mô hình có khối tích nhỏ: 6m3, 30 m3, 200 m3... đến quy mô lớn. Đến nay đã có trên dưới vài chục nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nước như Hà Lan, Hoà Kỳ, Thuỵ Sĩ, Cộng hoà Liên bang Đức ....
a. Các quá trình chuyển hoá chủ yếu trong phân huỷ kỵ khí:
- Quá trình thuỷ phân (Hydrolysis):
Muốn hấp thụ được các chất hữu cơ có trong nước thải, vi sinh vật phải thực hiện các công đoạn chuyển hoá các chất này. Việc đầu tiên là phải thuỷ phân các chất có phân tử lượng cao thành các polymer có phân tử lượng thấp và monomer. Vì chỉ khi đó các chất này mới có khả năng được hấp thụ qua màng tế bào vi sinh vật. Để thực hiện quá trình thuỷ phân, các vi sinh vật này phải có hệ enzyme các loại như proteinase, lipase, cellulase ... Sau thuỷ phân, các sản phẩm đố sẽ được tạo thành như các amino acid, đường, rượu, các acid béo mạch dài ...
Quá trình thuỷ phân xảy ra khá chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của môi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải.
- Quá trình acid hoá (Acidogenesis) :
Các sản phẩm của quá trình thuỷ phân sẽ được tiếp tục phân giải dưới tác động của các vi sinh vật lên men acid béo dễ bay hơi như acid acetic, acid formic, acid propionic. Ngoài ra còn có một số dạng như rượu methanol, ethanol, aceton, NH3, CO2. H2 ...
- Quá trình acetate hoá (Acetogenesis) :
Các acid là sản phẩm của quá trình trên lại được tiếp tục thuỷ phân để tạo lượng acid acetic cao hơn. Sản phẩm của quá trình này phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H2 trong môi trường. Áp suất riêng phần của H2 được giữ < 10-3 atm để vi sinh vật có thể thực hiện biến đổi H2 thành CH4 theo phản ứng sau:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
Thực tế cho thấy khi áp suất riêng phần của H2 lớn thì sản phẩm của quá trình này chứa nhiều acid béo trung gian như acid propionic (C3). acid butyric (C4) ... Do vậy, làm chậm quá trình tạo methane.
- Quá trình methane hoá (Methanogenesis) :
Đó là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy các sản phẩm hữu cơ đơn giản của những giai đoạn trước để tạo thành CH4 và CO2 nhờ các vi khuẩn lên men methane. Chúng có hai nhóm sau :
+ Nhóm biến đổi acetate: Nhóm này có tốc độ phát triển chậm và đây là nguyên nhân đòi hỏi công trình xử lý kỵ khí phải có thời gian lưu các chất thải ở công trình lâu.
+ Nhóm biến đổi hydrogen : Nhóm này có tốc độ phát triển nhanh hơn nhiều, do đó có khả năng giữ áp suất riêng phần của H2 thấp, tạo điều kiện tốt cho quá trình biến đổi acetate từ các acid béo.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân huỷ kị khí :
- Oxygen : Trong xử lý kị khí nước thải, oxygen được coi là độc tố đối với các vi sinh vật. Do đó lý tưởng nhất là tạo được điều kiện kị khí tuyệt đối trong bể xử lý.
- Chất dinh dưỡng : Chất dinh dưỡng có ảnh hưởng đến sự trưởng thành và phát triển của vi sinh vật, liên quan mật thiết đến các quá trình phân huỷ các chất hữu cơ chứa trong chất thải. Do đó việc cung cấp đầy đủ các dinh dưỡng cho vi sinh vật trong quá trình phân hủy nói trên là rất cần thiết. Cũng như các vi sinh vật khác, vi sinh vật phân giải kị khí đòi hỏi các chất dinh dưỡng chính yếu bao gồm các hợp chất chứa carbon, nitrogen, phosphor và một số các nguyên tố vi lượng với một tỷ lệ thích hợp. nếu không cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng sẽ ảnh hưởng đến các quá trình phân giải các chất trong nước thải. Chẳng hạn, nếu không đủ nitrogen sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành các enzyme thực hiện quá trình phân giải. Nhưng nếu cung cấp quá nhiều nitrogen sẽ làm hạn chế sự phát triển của vi sinh vật có trong nước thải. Việc cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết sẽ tạo cho bùn có tính lắng tốt và hoạt tính cao, hoạt động tốt trong quá trình xử lý.
- Nhiệt độ:
Nhóm các vi sinh vật kị khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ, và ở mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp với mỗi nhóm vi sinh vật kị khí khác nhau.
+ Vùng nhiệt độ cao: 450C - 65 0C (thermophilic).
+ Vùng nhiệt độ trung bình : 200C - 450C (mesophilic)
+ Vùng nhiệt độ thấp : dưới 200C (psychrophilic).
Hai vùng nhiệt độ đầu thích hợp cho hoạt động của nhóm các vi sinh vật lên men methane, ở vùng nhiệt độ này lượng khí methane tạo thành cao. Đối với vùng nhiệt độ cao (450C - 650C), để duy trì nhiệt độ này cần thiết phải cung cấp thêm lượng nhiệt, điều này sẽ gây tốn kém cho công trình, tính kinh tế của công trình xử lý sẽ bị hạn chế.
Ở nước ta, nhiệt độ trung bình từ 200C - 320C, sẽ thích hợp cho nhóm vi sinh vật ở vùng nhiệt độ trung bình phát triển.
- pH :
Trong quy trình xử lý kị khí, pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ, cụ thể là ảnh hưởng đến 4 quá trình chuyển hoá của sự phân huỷ kị khí. Ở các quá trình xử lý, người ta nhận thấy các quá trình cơ bản chịu ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau, khi một trong các quá trình này bị cản trở hoặc thúc đẩy sẽ ảnh hưởng tới quá trình xảy ra tiếp theo, do đó sẽ làm tốc độ phân huỷ các chất chậm lại hoặc nhanh hơn. Ví dụ : Khi nhiệt độ thay đổi hoặc khi thành phần nước thải thay đổi (do nạp mới vào công trình) thì nhóm vi sinh vật acid hoá thích nghi hơn so với nhóm vi sinh vật sinh methane. Khi pH giảm mạnh (ví dụ: pH < 6) sẽ làm giảm quá trình sinh khí CH4. Hơn nữa khi pH giảm, các acid trung gian tích luỹ nhiều, làm các phản ứng phân hủy khó thực hiện và dẫn đến dừng quá trình acetate hoá...
pH tối ưu trong quá trình phân huỷ kị khí là 6,5 - 8,5.
- Các độc tố:
Qua tìm hiểu đặc điểm sinh lý các vi sinh vật tham gia xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí, người ta nhận thấy:
+ Một số các hợp chất như CCl4, CHCl3, CH2Cl2... và các ion tự do của các kim loại nặng có nồng độ 1mg/l sẽ thể hiện tính độc đối với các vi sinh vật kị khí.
+ Các hợp chất như formadehyde, SO2, H2S với nồng độ 50 - 400mg/l sẽ gây độc hại với các vi sinh vật kị khí trong công trình xử lý.
+ S2- được coi là tác nhân gây ức chế quá trình tạo methane. Sở dĩ có lập luận này là do nhiều nguyên nhân khác nhau: S2- làm kết tủa các nguyên tố vi lượng như Fe, Ni, Co, Mo ... do đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, đồng thời, các electron giải phóng ra từ quá trình oxy hoá các chất hữu cơ sử dụng cho quá trình sulfate hoá và làm giảm quá trình sinh methane.
+ Các hợp chất NH4+ ở nồng độ1,5 - 2mg/l gây ức chế quá trình lên men kị khí.
c. Các dạng công trình xử lý kị khí nước thải:
Các công trình xử lý kị khí đã được ứng dụng từ rất lâu đời và có quá trình phát triển từ đơn giản đến phức tạp, ngày một hoàn thiện hơn, đáp ứng yêu cầu xử lý nước thải.
Vào nửa đầu thế kỷ XX, Công nghệ sinh học kị khí đã được ứng dụng để xử lý cặn, chất thải đậm đặc ... được thể hiện qua một số công trình quen biết cổ điển như:
- Bể tự hoại: Đây là công trình xử lý nước thải loại nhỏ dùng cho từng hộ gia đình. Loại công trình này thực hiện hai chức năng: lắng và chuyển hoá cặn lắng của nước thải (chủ yếu là nước thải từ các nhà vệ sinh) bằng quá trình phân giải sinh học kị khí.
- Bể lắng hai vỏ: Có nguyên tắc hoạt động và thực hiện hai chức năng tương tự như bể tự hoại, nhưng ở quy mô lớn hơn, xử lý nước thải với công suất lớn hơn.
Từ những năm của thập niên 70 trở về sau, công trình xử lý nước thải áp dụng biện pháp sinh học kị khí đã phát triển thêm một bước mới hoàn thiện hơn. Thời gian này xuất hiện hàng loạt các công trình nghiên cứu đã được đưa vào ứng dụng thực tế để xử lý nước thải sinh hoạt và cả một số loại nước thải công nghiệp giàu chất hữu cơ. Trong số đó, đáng lưu ý có các dạng công trình sau :
- Bể methan cổ điển: Được ứng dụng để xử lý cặn lắng (từ bể lắng) và bùn hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải. Hầu hết các trạm xử lý nước thải của thành phố đều xử dụng loại công trình này.
- Bể lọc kị khí AF (Anaerobic Filter) : Ở công trình này quá trình xử lý thực hiện qua vật liệu lọc để vi sinh vật kị khí dính bám vào và thực hiện quá trình chuyển hoá sinh hoá các chất hữu cơ chứa trong nước thải và đồng thời tránh sự rửa trôi của màng vi sinh vật.
- Bể xử lý sinh học kị khí với dòng chảy ngược qua bông bùn hoạt tính UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Loại công trình này không có vật liệu đỡ (vật liệu học) như ở bể lọc kị khí AF. Ở đây các vi sinh vật kị khí liên kết và tập hợp lại thành đám lớn dạng hạt và có vai trò chủ yếu để chuyển hoá các hợp chất hữu cơ. Chúng đủ nặng để tránh hiện tượng rửa trôi ra khỏi công trình. Bể UASB có cấu tạo gồm hai ngăn: ngăn lắng và ngăn phân hủy. Bằng biện pháp thiết kế khá đặc biệt của ngăn lắng cùng với tính lắng tốt của bùn kị khí sử dụng trong công trình, người ta giải quyết được vấn đề lưu lại nồng độ sinh khối bùn cao trong bể và giảm được thời gian lưu nước.
- Ngoài các kiểu công trình trên, trong thực tế người ta còn nghiên cứu hình thành các dạng công trình kết hợp giữa công trình UASB và AF hoặc công trình bùn lỏng (Fluidized sludge bed).
Hình 7.14 Hệ thống xử lí nước thải
a. Hình chụp hệ thống xử lí nước thải bằng phương pháp hiếu khí. Bể ở gần có thể nhìn rõ là bể lắng. Bể ở xa là bể lọc với những tia nước thải được tưới xuống các lớp vật liệu lọc (đá, cát...)
b. Hình chụp hệ thống xử lí nước thải bằng phương pháp kị khí. Hệ thống các bể chứa nước thải và bùn hoạt tính. Phần lớn của bể nằm chìm dưới đất.
