Vấn đề: mô tả quá trình sinh học kỵ khí và hiếu khí trong xử lý nước thải doc

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,