Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc qua màng sinh học

Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP

Mở đầu
Nh chúng ta đã biết nớc đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều
hoà khí hậu và đảm bảo cho sự sống trên trái đất, nớc còn là dung môi lý t-
ởng để hoà tan phân bố các chất vô cơ, hữu cơ làm nguồn dinh dỡng cho thế
giới thuỷ sinh cũng nh động, thực vật và cả con ngời.
Nớc ngọt là nguồn tài nguyên quý giá không thể thiếu đối với con ng-
ời, cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu về nớc sạch ngày càng tăng theo
nhịp độ phát triển đô thị và phát triển xã hội, ngoài ra nhu cầu về nớc ngọt
cho nuôi trồng động, thực vật ngày càng nhiều. Chất lợng nớc cho mỗi đối t-
ợng rất khác nhau nhng có một điều cơ bản là các cây trồng, vật nuôi, con
ngời tiêu thụ nớc cần phải đợc phát triển bình thờng không bị nhiễm độc trớc
mắt và lâu dài. Điều đó đặt ra một vấn đề là cần bảo vệ nguồn nớc cũng nh
môi trờng sống quanh ta để đảm bảo cuộc sống lâu bền của loài ngời trên trái
đất.
Để cải thiện tình trạng trên đã có rất nhiều phơng pháp xử lý đợc đa ra
nh phơng pháp cơ học, hoá-lý, hoá học, sinh học... nhng trong đó phơng
pháp sinh học là phơng pháp đem lại hiệu quả cao về kinh tế và không làm
phức tạp thêm môi trờng, phù hợp và dễ áp dụng ngoài thực tế. Trong một
phạm vi nhất định, phơng pháp này không cần dùng đến hoá chất mà dùng
chính hệ vi sinh vật có sẵn trong nớc thải để phân huỷ các chất bẩn.
Trong phạm vi khoá luận này bớc đầu chúng em Nghiên cứu xử lý
nớc thải sinh hoạt bằng phơng pháp lọc qua màng sinh học đóng góp một
phần trong công đoạn xử lý nớc thải trớc khi xả ra nguồn để cải tạo nguồn n-
ớc thải sinh hoạt hàng ngày của thành phố.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
1
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Phần I: Tổng quan
Chơng 1

Nớc thải sinh hoạt và sự ô nhiễm
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nớc đã mang lại rất nhiều thành tựu mới. Sự
phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp đặc biệt là các ngành du
lịch và dịch vụ phát triển nhanh chóng, rộng khắp trên toàn đất nớc đã góp
phần thúc đẩy tốc độ đô thị hóa mạnh mẽ. Tốc độ phát triển này ảnh hởng
lớn đến môi trờng đặc biệt là môi trờng nớc. Hơn nữa sự gia tăng dân số và
phân bố dân c không đồng đều chủ yếu tập trung ở các thành phố, thị xã đã
gây nên quá tải cho nguồn nớc ảnh hởng trực tiếp đến đời sống động, thực
vật và con ngời.
1.1. Nớc thải sinh hoạt [1, 3, 5].
Nớc thải là đợc thải ra sau quá trình sử dụng của con ngời và đã bị
thay đổi tính chất ban đầu. Nớc thải là một hệ dị thể phức tạp bao gồm rất
nhiều chất tồn tại dới các trạng thái khác nhau. Nếu nh nớc thải công nghiệp
chứa rất nhiều hoá chất vô cơ và hữu cơ thì nớc thải sinh hoạt chứa rất nhiều
các chất bẩn dới dạng protein, hydratcacbon, mỡ, các chất thải ra từ con ngời
và động vật, ngoài ra còn phải kể đến các loại rác nh giấy, gỗ, các chất hoạt
động bề mặt...
Nớc thải sinh hoạt là nớc thải từ các khu dân c, khu vực hoạt động th-
ơng mại, công sở, trờng học, bệnh viện. Đặc trng của nớc thải sinh hoạt là th-
ờng chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ,
48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật nh vi khuẩn, trứng giun, các
loại nấm mốc, các virut, rong, rêu...
Nớc thải sinh hoạt gồm có:
- Khu dân c: mức độ ô nhiễm của nớc thải tùy thuộc vào điều kiện
sống từng khu vực, chất lợng bữa ăn và chất lợng sống.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
2
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
- Khu thơng mại: gồm có chợ (chợ tập trung, chợ xanh, chợ cóc...) các

cửa hàng, bến xe, trụ sở kinh doanh, trung tâm buôn bán của khu vực.
- Khu vực cơ quan: gồm cơ quan, công sở, trờng học, bệnh viện, nhà
nghỉ, nhà ăn...
- Khu vui chơi giải trí: gồm các câu lạc bộ, bể bơi...
1.2. Thành phần của nớc thải sinh hoạt [1, 2, 3, 6, 11].
Nớc thải đa vào nớc bề mặt các loại hoá chất khác nhau từ trạng thái
tan hoặc dới dạng huyền phù, nhũ tơng, cho đến các loại vi khuẩn... Do tơng
tác hoá học của các chất đó, do sự thay đổi pH của môi trờng nên các sản
phẩm thứ cấp đợc tạo thành. Các chất kết tủa dạng huyền phù và chất keo có
trong nớc thải ngăn cản sự phát triển của các loại vi khuẩn tham gia vào quá
trình làm sạch nớc.
1.2.1. Tạp chất vô cơ.
1.2.1.1 Tạp chất không gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe:
- Độ đục: do sự có mặt của các chất không tan, các chất keo có nguồn
gốc vô cơ và hữu cơ gây ra.
- Màu sắc: gây nên do một số tạp chất muối khoáng chủ yếu là các
muối của sắt (III) và một số chất hữu cơ (axit humic, fulvic...). Nớc có màu
tác động đến khả năng xuyên qua của ánh sáng mặt trời khi đi qua nớc, do
đó gây ảnh hởng đến hệ sinh thái.
- Tính khoáng hóa: độ kiềm và độ cứng tham gia vào phản ứng cân
bằng cacbonat canxi của nớc cùng với độ phân hóa và axit cacbonic hòa tan.
- Khí hòa tan: H
2
S hình thành do quá trình khử của muối sunfat (quá
trình vi sinh yếm khí), phân huỷ axit amin có chứa lu huỳnh, tạo nên mùi
khó chịu và là nguồn gốc của sự ăn mòn.
- Amoni (NH
4
+
): là một chất tạo ra sự ô nhiễm do thúc đẩy qúa trình

phú dỡng của nớc, là nguồn dinh dỡng cho phép một số vi khuẩn sinh trởng
trong mạng ống dẫn. Nếu pH cao amoni ở dạng amoniac gây mùi khó chịu.
1.2.1..2 Tạp chất có hại cho sức khỏe:
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
3
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
- Kim loại nặng: Cd, Cr, Pb, Hg, As... đều có độc tính cao đối với ngời
và động vật, đa số những chất này xâm nhập vào nguồn nớc do rửa trôi, vật
thải... Chúng bị hấp phụ bởi các chất huyền phù có mặt trong nớc tự nhiên.
- Nitrat (NO
3
-
): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ các hợp
chất hữu cơ chứa nitơ có trong chất thải cuả ngời và động vật, thực vật. Bản
thân nitrat không phải là chất có độc tính nhng ở trong cơ thể nó bị chuyển
hoá thành nitrit (NO
2
-
) rồi kết hợp với một số chất khác tạo thành các hợp
chất nitrozo là các chất có khả năng gây ung th.
1.2.2. Tạp chất hữu cơ.
- Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: hydratcacbon, protein, chất béo,
lignin, pectin... có từ tế bào và các tổ chức của động vật, thực vật. Nớc thải
khu dân c có khoảng 25 ữ50% hydratcacbon, 40 ữ 60% protein, 10% chất
béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm lợng oxy hoà tan trong nớc, dẫn
đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lợng nớc cấp sinh hoạt.
- Các chất hữu cơ khó bị phân hủy: hợp chất hữu cơ vòng thơm, hợp
chất đa vòng ngng tụ, hợp chất clo hữu cơ, thuốc trừ sâu, các dạng polyme,
polyancol... Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con
ngời, khó bị phân hủy do tác nhân sinh học bình thờng, tồn tại lâu dài tích

lũy làm bẩn về mỹ quan, gây độc cho môi trờng, ảnh hởng nguy hại đến cuộc
sống.
1.2.3. Vi sinh vật trong nớc thải.
Vi sinh vật có trong nớc thải chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập
đoàn sinh vật của nớc thải. Chủ yếu là vi khuẩn, virut, nguyên sinh động vật,
trứng giun, sán, tảo, rêu...
1.3. Một số thông số đặc trng của nớc thải [5, 6].
1.3.1. Hàm lợng oxy hòa tan DO ( Dissolved Oxygen ).
Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của
nớc, vì oxy không thể thiếu đợc đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn
cũng nh dới nớc. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lợng cho
sự sinh trởng và sinh sản.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
4
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Nồng độ bão hòa của oxy trong nớc ở nhiệt độ bình thờng khoảng
8 ữ 15 mg/l. Khi thải các chất thải sử dụng oxy vào nguồn nớc, quá trình oxy
hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nớc này, thậm
chí có thể đe dọa sự sống của các loài cá cũng nh sinh vật sống trong nớc.
Có hai phơng pháp để phân tích DO. Ngoài phơng pháp đo oxy hoà
tan trực tiếp bằng điện cực oxy với màng nhạy bằng các máy đo ngời ta th-
ờng dùng phơng pháp Iot (phơng pháp Winkler). Phơng pháp phân tích này
dựa vào quá trình oxy hóa Mn
2+
thành Mn
4+
trong môi trờng kiềm. Mn
4+
lại
oxy hóa I

-
thành I
2
tự do trong môi trờng axit. Vậy lợng I
2
đợc giải phóng t-
ơng đơng với lợng oxy hòa tan có trong nớc. Lợng iot này xác định bằng ph-
ơng pháp chuẩn độ với dung dịch natrithiosunfat (Na
2
S
2
O
3
).
Các phản ứng hóa học xảy ra:
Mn
2+
+ 2OH
-
+ 1/2 O
2
MnO
2
+ H
2
O
(Nâu)
MnO
2
+ 2I

-
+ 4H
+
Mn
2+
+ I
2
+ 2H
2
O
Chỉ thị,tinh bột
I
2
+ 2Na
2
S
2
O
3
Na
2
S
4
O
6
+ 2NaI
(không màu)
1.3.2. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand).
BOD đợc định nghĩa là lợng oxy cần thiết vi sinh vật đã sử dụng trong
quá trình oxy hóa các chất hữu cơ. BOD biểu thị lợng các chất hữu cơ trong

nớc có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật.
Quá trình này đợc tóm tắt nh sau:
Vi khuẩn
Chất hữu cơ +O
2
CO
2
+H
2
O+Tế bào mới+sản phẩm cố định
Trong kỹ thuật môi trờng chỉ tiêu BOD đợc dùng rộng rãi để:
1. Xác định gần đúng lợng oxy cần thiết để oxi hoá các chất hữu cơ
dễ phân huỷ có trong nớc thải.
2. Làm cơ sở tính toán kích thớc các công trình xử lý.
3. Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
5
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
4. Đánh giá chất lợng nớc sau khi xử lý đợc phép thải vào các nguồn
nớc.
Thực tế, ngời ta không xác định đợc lợng oxy cần thiết để phân hủy
hoàn toàn chất hữu cơ vì nh vậy tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định l-
ợng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200
o
C trong bóng tối (để
tránh hiện tợng quang hợp ở trong nớc). Chỉ số này đợc gọi là BOD
5
.
Giá trị BOD
5

đợc tính theo công thức sau:
BOD
5
=
D
1
- D
2
, mg/l
P
Trong đó:
D
1
- Lợng oxy hòa tan sau khi pha loãng ở thời điểm ban đầu (mg/l).
D
2
- Lợng oxy hòa tan sau 5 ngày ủ ở 20
o
C (mg/l).
P - Tỷ số pha loãng.
P =
V mẫu nớc đem phân tích
V nớc đem phân tích và nớc pha loãng
1.3.3. Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand).
Chỉ số này đợc dùng rộng rãi để biểu thị hàm lợng chất hữu cơ trong
nớc thải và mức độ ô nhiễm nớc tự nhiên.
COD là lợng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hoá học các chất hữu
cơ trong mẫu nớc thành CO
2
và nớc. Để xác định COD ngời ta thờng sử

dụng một chất oxy hoá mạnh trong môi trờng axit. Chất oxy hoá hay đợc
dùng là kalibicromat (K
2
Cr
2
O
7
).
Ag
2
SO
4
Chất hữu cơ + Cr
2
O
7
2-
+ H
+
CO
2
+ H
2
O + 2Cr
3+

t
o
Lợng Cr
2

O
7
2-
d đợc chuẩn độ bằng dung dịch muối Morh -
Fe(NH
4
)
2
(SO
4
)
2
- FAS với chất chỉ thị là dung dịch Ferroin.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
6
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
6Fe
2+
+ Cr
2
O
7
2_
+ 14H
+
6Fe
3+
+ 2Cr
3+
+ 7H

2
O
Hàm lợng COD đợc tính theo công thức:
COD =
(A B) ì N ì 8000
Vmẫu
A - Thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ mẫu trắng, ml ;
B - Thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ mẫu thử, ml ;
N - Nồng độ đơng lợng của dung dịch FAS ;
8000 là hệ số chuyển đổi kết quả sang mgO
2
/l ;
Chỉ số COD biểu thị cả lợng các chất không thể bị oxy hóa bằng vi
sinh vật, do đó nó có giá trị cao hơn BOD.
1.3.4. Các chất dinh dỡng.
- Hàm lợng nitơ (N).
Nitơ là nguyên tố chính xây dựng tế bào, tổng hợp protein nên nó rất
cần thiết cho các động vật nguyên sinh và thực vật phát triển. Nitơ đợc biết
tới nh là những chất dinh dỡng hoặc kích thích sinh học.
Trong nớc hợp chất chứa nitơ thờng tồn tại ở các dạng: Nitơ hữu cơ
(N-HC), nitơ amoniac (N-NH
3
), nitơ nitrit (N-NO
2
-
), nitơ nitrat (N-NO
3
+
) và
nitơ tự do N

2
.
Chỉ tiêu hàm lợng nitơ trong nớc là thông số để xác định khả năng có
thể xử lý một loại nớc thải nh thế nào đó bằng các phơng pháp sinh học và
cũng đợc xem nh là chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nớc vì NH
3
tự do là
sản phẩm phân hủy các chất chứa protein, ở điều kiện hiếu khí sẽ xảy ra quá
trình oxy hóa theo trình tự sau:
Oxy hoá
Nitrosomonas Nitrobacter
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
7
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Protein NH
3
NO
2
-
NO
3
-
- Hàm lợng phospho (P).
Phospho trong nớc thải thờng tồn tại ở các dạng orthophosphat (PO
4
3-
,
HPO
4
2-

, H
2
PO
4
-
, H
3
PO
4
) hay polyphosphat [Na
3
(PO
3
)
6
] và photpho hữu cơ.
Photpho là một trong những nguồn dinh dỡng cho thực vật dới nớc,
gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tợng phú dỡng ở các thuỷ vực.
Chỉ tiêu photpho có ý nghĩa quan trọng để kiểm soát sự hình thành cặn
rỉ, ăn mòn và xử lý nớc thải bằng các phơng pháp sinh học.
- Hàm lợng sunfat.
Lu huỳnh cũng là một nguyên tố cần thiết cho quá trình tổng hợp
protein và đợc giải phóng ra trong quá trình phân hủy chúng. Sunfat bị khử
sinh học ở điều kiện kỵ khí theo phản ứng sau:

Vi khuẩn kỵ khí
Chất hữu cơ + SO
4
2-
S

2-
+ H
2
O + CO
2
S
2-
+ 2H
+
H
2
S
Một phần khí H
2
S đợc giải phóng vào không khí phát sinh mùi khó
chịu và độc hại cho con ngời ở nơi xử lý nớc thải. Một phần còn lại trong hệ
thống ống dẫn bị oxy hóa sinh học thành H
2
SO
4
làm ăn mòn các ống dẫn.
1.4. Các phơng pháp xử lý nớc thải sinh hoạt [2, 6].
Các loại nớc thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất
khác nhau. Từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất khó tan và
những hợp chất tan trong nớc. Xử lý nớc thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm
sạch lại nớc và có thể đa nớc đó đổ vào nguồn hoặc đa tái sử dụng. Để đạt đ-
ợc những mục đích đó chúng ta thờng dựa vào đặc điểm của từng loại tạp
chất để lựa chọn phơng pháp xử lý thích hợp.
Thông thờng có các phơng pháp xử lý nớc thải sau:
1. Xử lý bằng phơng pháp cơ học.

Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
8
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
2. Xử lý bằng phơng pháp hoá lý và hoá học.
3. Xử lý bằng phơng pháp sinh học.
4. Xử lý bằng phơng pháp tổng hợp.
Nhng nhìn chung để xử lý nớc thải đến cùng thờng phải tiến hành qua
các công đoạn:
- Xử lý cấp I: gồm các quá trình cơ học nh xử lý sơ bộ và lắng có
nhiệm vụ loại bỏ các tạp chất thô, cứng, vật nổi có kích thớc lớn và các tạp
chất rắn có thể lắng ra khỏi nớc thải.
- Xử lý cấp II: chủ yếu là ứng dụng các quá trình sinh học (đôi khi cả
quá trình hóa học hoặc cơ học kết hợp) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất
hữu cơ hòa tan có thể phân hủy bằng con đờng sinh học thành các chất vô cơ
và chuyển các chất hữu cơ ổn định thành bông cặn dễ loại bỏ ra khỏi nớc.
- Xử lý cấp III: thông thờng công đoạn này chỉ cần khử khuẩn để đảm
bảo nớc trớc khi đợc đổ vào các thuỷ vực không còn vi sinh vật gây bệnh;
khử màu, khử mùi và giảm nhu cầu oxy sinh học cho nguồn tiếp nhận. Các
phơng pháp khử khuẩn thờng dùng là clo hoá, ozon, tia cực tím. Ngoài ra để
nâng cao chất lợng nớc đã xử lý tái sử dụng cần qua các công đoạn nh: vi
lọc, kết tủa hoá học, đông tụ, hấp phụ qua than hoạt tính, trao đổi ion...
Trong khóa luận này em tập trung đi sâu vào nghiên cứu phơng pháp
xử lý nớc thải sinh hoạt trớc khi xả ra nguồn, vì vậy đối tợng nghiên cứu chỉ
là những quá trình xử lý cấp II và phơng pháp đợc lựa chọn là phơng pháp
sinh học sẽ đợc nghiên cứu kỹ ở chơng sau.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
9
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Chơng 2
xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học

Xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống
của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dỡng hoại sinh có trong nớc thải. Quá
trình hoạt động của chúng cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn đợc
khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nớc.
2.1. Vi sinh vật và quá trình làm sạch nớc thải [2, 4, 6, 7].
Thành phần sinh học của nớc và đặc biệt là nớc thải có các nhóm
chính: Vi sinh vật, nguyên sinh động vật (thuộc vào giới động vật sống trôi
nổi của nớc), tảo (giới thực vật nổi của nớc).
Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nớc là từ đất, phân, nớc tiểu, các
nguồn thải và từ bụi trong không khí rơi xuống. Số lợng và chủng loại vi
sinh vật trong nớc phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hoà
tan trong nớc, các chất độc, tia tử ngoại, pH môi trờng. Yếu tố quyết định
đến sinh trởng và phát triển của vi sinh vật chính là các chất dinh dỡng của
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
10
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
chúng. Nớc thải càng bẩn, càng nhiều chất hữu cơ thì càng phong phú vi
sinh vật nhng tổng hợp lại chỉ có những loại chính sau:
2.1.1. Vi khuẩn (bacteria).
Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, kích thớc rất nhỏ từ 0,3ữ5àm. Vi khuẩn
có hình cầu, hình sợi, hình xoắn... chúng sống đơn lẻ từng tế bào, liên kết
thành chuỗi hoặc xếp hình khối vuông. Vi khuẩn đóng vai trò đặc biệt quan
trọng trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, làm sạch nớc thải, trong vòng
tuần hoàn vật chất. Theo phơng thức dinh dỡng ,vi khuẩn đợc chia làm hai
nhóm chính.
- Vi khuẩn dị dỡng (heterotrophic): Nhóm vi khuẩn này sử dụng các
chất hữu cơ làm nguồn cơ chất cacbon và năng lợng trong các quá trình sinh
tổng hợp. Có ba loại vi khuẩn dị dỡng
+Vi khuẩn hiếu khí (aerobic): nhóm này là loại cần oxy để sống. Oxy
cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ theo phản ứng:

Chất hữu cơ + O
2
CO
2
+ H
2
O + năng lợng
+Vi khuẩn kỵ khí (anaerobic): là nhóm vi khuẩn có thể sống và hoạt
động ở điều kiện không cần có oxy của không khí, mà chúng sử dụng oxy
trong những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hoá các chất hữu cơ.
Chất hữu cơ + NO
3
-
CO
2
+ N
2
+ năng lợng
Chất hữu cơ + SO
4
2-
CO
2
+ H
2
S + năng lợng
Chất hữu cơ axit hữu cơ + CO
2
+ H
2

O + năng lợng
Chất hữu cơ CH
4
+ CO
2
+ năng lợng
+Vi khuẩn tuỳ nghi (facultive): loại này có thể sống trong điều kiện
có hoặc không có oxy tự do. Năng lợng đợc giải phóng một phần đợc sử
dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới, một phần thoát ra ở dạng
nhiệt.
- Vi khuẩn tự dỡng (autotrophic): loại vi khuẩn này có khả năng oxy
hoá chất vô cơ để thu năng lợng và sử dụng CO
2
làm nguồn cacbon cho quá
trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn sắt, vi
khuẩn lu huỳnh...
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
11
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
2.1.2. Virut.
Đây là loại siêu vi khuẩn cực nhỏ sống kí sinh ở tế bào vật chủ, nhờ
những chất trao đổi của vật chủ mà xây dựng các hợp chất protein và axit
nucleic cho mình. Vì vậy, virut là tác nhân gây ra một số bệnh dịch cho ngời
và gia súc.
2.1.3. Nấm, nấm mốc và nấm men.
Nhóm này ít hơn vi khuẩn và phát triển mạnh ở vùng nớc tù. Chúng là
những vi sinh vật dị dỡng và hiếu khí. Các loại nấm có khả năng phân huỷ
các chất hữu cơ, nhiều loài có khả năng phân huỷ đợc xenluloza,
hemixenluloza và đặc biệt là lignin.
2.2. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nớc thải [5, 6, 7].

Quần thể vi sinh vật ở các loại nớc thải là không giống nhau. Mỗi một
loại nớc thải có hệ vi sinh vật thích ứng riêng. Song, nói chung vi sinh vật
trong nớc thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dỡng. Chúng chỉ có thể tổng
hợp đợc các chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng mà đi
từ các chất hữu cơ trong môi trờng sống để phân huỷ, đồng thời cũng phân
huỷ các hợp chất nhiễm bẩn trong nớc đến sản phẩm cuối cùng là CO
2
và
H
2
O hoặc tạo thành các loại khí khác (CH
4
, H
2
S, N
2
v.v...).
Trong nớc thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hoà tan,
ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng.
Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo
tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hoá và đồng hoá.
Quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ hay quá trình oxy hoá sinh
hoá gồm ba giai đoạn:
1. Di chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi
sinh vật do khuyếch tán đối lu và phân tử.
2. Di chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng
khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế
bào.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
12

Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
3. Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sinh
sản năng lợng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự
hấp thụ năng lợng.
Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ
các chất nhiễm bẩn trong nớc giảm dần.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ xảy ra ở bên ngoài tế bào do các
enzim thuỷ phân, nh amilaza phân huỷ tinh bột, proteaza phân huỷ protein,
lipaza phân huỷ chất béo v.v... thành các sản phẩm có khối lợng phân tử thấp
có thể đi qua màng vào bên trong tế bào - quá trình phân huỷ ngoại bào. Nếu
các chất tạo thành tiếp tục bị phân huỷ hoặc chuyển hoá thành các chất vật
liệu xây dựng tế bào mới - quá trình phân huỷ nội bào.
2.2.1. Phân huỷ hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí.
(CHO)
n
NS CO
2
+ H
2
O + Tế bào vi sinh + NH
4
+
+ H
2
S
chất hữu cơ 60% 40% NO
3
-
SO
4

2-
+ các sản phẩm dự trữ + năng lợng
Các vi sinh vật hoại sinh có trong nớc thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu
khí, kỵ khí hoặc tuỳ nghi. Các giống vi khuẩn thờng gặp ở hầu hết các loại
nớc thải là: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium.
Tất cả các chủng Pseudomonas, Bacillus đều có khả năng sinh enzim
amilaza và proteaza phân huỷ tinh bột và protein, Pseudomonas còn lên men
đợc nhiều loại đờng và màng nhầy.
Trong các công trình xử lý nớc thải, oxy hoà tan cung cấp cho quá
trình sống của vi sinh vật ngoài lợng hoà tan tự nhiên ta còn phải bổ sung
thêm. Có nh vậy mới đảm bảo cho quá trình xử lý đạt kết quả.
Oxy cung cấp cho quá trình này đợc chia thành hai phần: Một phần
phân huỷ các hợp chất hydratcacbon, một phần phân huỷ các hợp chất chứa
nitơ giải phóng ra NH
3
(NH
4
+
) là nguồn dinh dỡng đợc vi sinh vật sử dụng
trực tiếp để tổng hợp thành các protein mới cho quá trình xây dựng tế bào.
Phân huỷ hữu cơ trong điều kiện hiếu khí.
Nó bao gồm các quá trình:
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
13
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
- Phân giải hyđratcacbon, phân giải xellulose ( tricoderma, aprgillus,
fusarili, muco là các lấm mốc và các vi khuẩn phân huỷ hiếu khí
pseudomonas, xenlulomonas, achromobacter, nhóm kỵ khí costridium và xạ
khuẩn streptomyces và niêm khuẩn
- Phân giải xilan: là các loại hợp chất cacbon ở trong xác thực vật, các

vi sinh vật nh nấm mốc, nấm men, vi khuẩn phân giải sinh ra enzim xilanase
phân giải xilan.
- Phân giải lignin: enzim phân giải là phanerochaetechrysosporium và
vi khuẩn actinomyces.
- Phân giải tinh bột: một số vi khuẩn thuộc chi bacillus, cytophoga.
- Phân giải pectin.
- Phân giải lipit và chất béo: (do vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc).
- Phân giải các axit hu cơ: các vi khuẩn kỵ khí lên men các axit thành
khí me tan.
- Phân giải protein: gồm các enzim peptidase.
- Phân giải kitin: các sinh vật sinh ra kitinase phân huỷ kitin.
2.2.2. Phân huỷ hợp chất hữu cơ do các vi sinh vật kị khí.
(CHO)
n
NS CO
2
+H
2
O +Tế bào vi sinh+CH
4
+H
2
+các chất trung gian
Chất hữu cơ 20% 5% 5% 70%
+ NH
4
+
+ H
2
S + các sản phẩm dự trữ + năng lợng

Quá trình phân huỷ kỵ khí các hợp chất hữu cơ gồm hai giai đoạn:
- Giai đoạn thuỷ phân: Dới tác dụng của các enzim thuỷ phân do vi
sinh vật tiết ra các chất hữu cơ sẽ bị thuỷ phân - Hydratcacbon (kể cả các
chất không hoà tan) phức tạp sẽ thành các đờng đơn giản; protein thành
peptit, axit amin...; chất béo (lipit) thành glyxerin và các axit béo.
- Giai đoạn tạo khí: Sản phẩm thuỷ phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo
thành sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các khí chủ yếu là CO
2
và CH
4
. Ngoài
ra còn tạo ra một số khí khác nh H
2
, N
2
, H
2
S và một ít muối khoáng.
Các vi khuẩn tham gia quá trình này gồm: Pseudomonas, Bacillus,
Micrococcus candidus, Clostridium...
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
14
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Từ những phản ứng trên ta thấy ở điều kiện hiếu khí sản phẩm cuối
cùng phần lớn là CO
2
và H
2
O là những sản phẩm không độc hại đối với môi
trờng vì vậy có thể thải trực tiếp ra môi trờng. Nhng ở điều kiện kỵ khí thì

70% sản phẩm là những chất trung gian vì vậy không thể thải trực tiếp ra môi
trờng mà phải tốn thêm một khoảng thời gian nữa để vi sinh vật phân huỷ
tiếp thành những chất đơn giản hơn. Đây cũng là một trong những lý do ngời
ta thờng chọn phơng pháp xử lý ở điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên với lực lợng
đông đảo vi sinh vật về chủng loại thì khả năng làm sạch nớc còn phụ thuộc
vào đặc tính của chất nền.
2.3. Đặc tính của chất nền [11].
Chất nền là một tập hợp gồm toàn thể các vật phẩm chứa trong nớc mà
vi khuẩn có thể sử dụng chúng để phát triển.
Các nguyên tố của chất nền gồm:
1. Các nguyên tố chiếm đa số: C, H, O, N;
2. Các nguyên tố chiếm thiểu số: P, K, S, Mg;
3. Các vitamin và hoocmon;
4. Các nguyên tố vết hoặc các nguyên tố vi lợng (Co, Fe, Ni,...).
Trong một môi trờng đặc biệt phức tạp thờng có ở hầu hết nớc thải, các
nguyên tố vết, các vitamin và các hoocmon nói chung có nồng độ đủ để đảm
bảo làm sạch hoàn toàn nớc. Ngợc lại nớc cần xử lý có thể không có đủ
photpho thậm chí cả nitơ. Nh vậy phải bổ xung các nguyên tố này.
Để một nguồn nớc thải có thể xử lý sinh học đợc nó phải có các đặc
tính thích hợp với sự tăng trởng vi khuẩn nh độ pH, nhiệt độ, các sản phẩm
độc hại hoặc sản phẩm ức chế.
2.4. Ưu, nhợc điểm của phơng pháp [2].
Ưu điểm :
1. Có thể xử lý nớc thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ tơng đối
rộng.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
15
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
2. Không sử dụng nhiều loại hoá chất vì vậy tránh ô nhiễm môi trờng.
3. Hệ thống có thể điều chỉnh theo phổ các chất nhiễm bẩn và nồng

độ các chất nhiễm bẩn.
4. Thiết kế và trang thiết bị đơn giản.
5. Chi phí vận hành thấp.
6. Hiệu suất xử lý cao.
Nh ợc điểm :
1. Đầu t cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém.
2. Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh.
3. Các chất hữu cơ khó phân huỷ cũng nh các chất có độc tính ảnh h-
ởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch.
4. Có thể phải pha loãng nớc thải có nông độ chất bẩn cao dẫn đến l-
ợng nớc thải cần xử lý tăng.
Tuy vẫn còn nhiều nhợc điểm nhng phơng pháp sinh học vẫn đợc u
tiên sử dụng vì nó phù hợp với điều kiện cơ sở ở nớc ta và đây là một công
nghệ sạch không ảnh hởng nhiều đến môi trờng.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
16
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
Chơng 3
màng sinh học
Khi đặt những vật liệu rắn trong dòng nớc thải vi sinh vật (chủ yếu là
vi khuẩn) sẽ dính bám lên đó. Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra
các polysacarit có tính chất nh là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học-chất
polyme ngoại bào-EPS), tạo thành màng (màng sinh học). Màng này cứ dầy
dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên
vật liệu (chất mang). Màng này có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ có
trong nớc khi chẩy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng
hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán v.v...
Màng sinh học phát triển ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy,
dầy từ 1 ữ3 mm và hơn nữa. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nớc
thải, từ vàng xám đến màu nâu tối.

3.1. Thành phần và cấu trúc của màng sinh học [6, 11, 12, 13].
Màng sinh học đợc tạo nên do những tập hợp vi sinh vật khác nhau (vi
khuẩn, nấm mốc...), những chất polyme ngoại bào (EPS), các cation đa hoá
trị, những hợp chất dạng keo, những hợp chất có thành phần vô cơ, hữu cơ.
Thành phần quan trọng trong màng sinh học là những chất polyme
ngoại bào (EPS), chúng chiếm 50ữ90% tổng lợng chất hữu cơ trong màng và
tạo thành mạng lới không gian ba chiều bao lấy xung quanh vi sinh vật. Qua
nghiên cứu nhiều phơng pháp phân tích Nielsen et. al. (1999) đã đa ra kết
luận về thành phần của EPS gồm: polysacarit chiếm khoảng 50%, ngoài ra
còn có các chất khác nh: protein, axit nucleic, lipit... Chức năng của EPS là
tạo ra khả năng liên kết giữa các vi sinh vật và dính bám lên bề mặt vật liệu.
Một thành phần nữa cũng quan trọng không kém trong màng sinh học
là các cation hoá trị II mà đáng chú ý nhất là Ca2+ có chức năng gắn kết các
nhóm tích điện âm trên EPS của vi sinh vật với các chất vô cơ để làm bền
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
17
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
hoá màng sinh học. Ngời ta đã thực hiện nhiều thí nghiệm thử tách Ca
2+
ra
khỏi màng sinh học bằng cách thế cation hoá trị I hoặc cho Ca
2+
tạo phức với
EDTA hay EGTA kết quả đều làm cho màng sinh học mất khả năng bền hoá
vì nó làm yếu cấu trúc tổng thể của màng sinh học do tạo ra nhiều phân tử
nhỏ rời rạc, không dính kết.
Theo DIGNAC et. al. (1998) thì các EPS đóng vai trò là cấu trúc cơ sở,
các cation hoá trị II gắn kết các nhóm chức tích điện âm trên phân tử EPS.
Liên kết giữa EPS và cation dẫn đến sự bền hoá mạng polyme sinh học và
giữ cố định các vi sinh vật trong màng.

Qua nhiều phơng pháp nghiên cứu đã cho thấy rằng màng sinh học có
cấu trúc không đồng nhất, nó đợc quy định bởi nồng độ chất dinh dỡng, các
loại vi sinh vật...
3.2. Sự phát triển của màng sinh học [11].
3.2.1. Các giai đoạn phát triển của màng sinh học.
3.2.1.1. Cơ chế hoạt động của màng sinh học.
Màng lọc sinh học đợc tạo thanh chủ yếu là do các vi khuẩn hiếu khí
và các màng lọc sinh học, các vi khuẩn kỵ khí, các vi khuẩn tuỳ tiện. Lớp
ngoài cùng của màng là lớp hiếu khí, có loài trực khuẩn Bacillus. Lớp trung
gian là các vi khuẩn tuỳ tiện nh alcaligenes, Flavolacterium... và cả Bacilluss.
Lớp sâu bên trong màng có vi khuẩn kỵ khí khử lu huỳnh, nitrat.
Quá trình oxy hoá xảy ra trên lớp màng sinh học:
Khi dòng nớc thải chảy trùm lên lớp màng sinh học, các chất hu cơ sẽ
bị hấp thụ vào màng sinh học và xẽ bị phân huỷ bởi các vi sinh vật hiếu khí
thành CO
2
và H
2
O, O
2
và các thức ăn đồng hoá đợc vận chuyển và khuếch
tán qua bề dày lớp màng sinh học cho tới chừng nào mà các đám tế bào ở sâu
nhất không tiếp xúc với oxy và thức ăn đồng hoá trực tiếp nữa. Sau một thời
gian nhất định sẽ xuất hiện sự phân tầng giữa lớp a khí chồng lên lớp kỵ khí.
ở lớp a khí có sự khuếch tán oxy, lớp kỵ khí ở sâu hơn và không có oxy.
Trong quá trình xử lý chất bị hấp thụ chuyên hoá thành sản phẩm của
quá trình trao đổi chất là CO
2
sẽ đợc thoát ra qua màng chất lỏng. Oxy hoà
tan đợc bổ sung bằng cách hấp thụ từ không khí. Nớc thải ra ngoài thiết bị

Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
18
Khoá luận tốt nghiệp Trờng Đại học DLHP
đã đợc làm sạch. Khi không có nguồn hu cơ cacbon từ bên ngoài thì những
vi sinh vật ngay sát bề mặt chất mang bắt đầu bớc vào giai đoạn hô hấp nội
bào (quá trình tự oxy hoá) và mất khả năng bám chặt vào bề mặtvật chất
mang. Khi đó nớc lại rửa xói lớp màng nhầy rời khỏi chất mang và một lớp
màng mới lại bắt đầu sinh trởng. Cứ nh thế hết lớp màng này tróc ra lại có
lớp màng mới xuất hiện. Nớc thải qua thiết bị và đợc xử lý liên tục đảm bảo
nớc đầu ra qua hệ thống xử lý đạt tiêu chuẩn thải.Hệ thống này đạt hiệu quả
tốt nhất khi lớp màng nhầy vi sinh vật có độ dày đồng đều trên b ề mặt lớp
chất mang. Yếu tố này phụ thuộc vào tại trọng chât hữu cơ có trong nớc
thải, tốc độ nớc thải đầu vào hệ thống, thời gian lu của nớc thải và lợng oxy
hoà tan.
Các chất dinh dỡng có thể đồng hoá cùng oxy trong nớc cần xử lý sẽ
vận chuyển và khuếch tán qua bề dày lớp màng sinh cho đến chừng nào mà
các đám tế bào ở vùng sâu nhất không tiếp xúc đợc vơí chất dinh dỡng và
oxy nữa. Sau một thời gian sẽ xuất hiện sự phân tầng vi sinh vật:
- Ngoài cùng là các lớp u khí: ở đây có có sự khuyếch tán oxy - vi sinh vật
hiếu khí hoạt động.
- Lớp sau là lớp kỵ khí: ở đây không có sự khuyếch tán oxy - vi sinh vật kỵ
khí hoạt động.
- Sự hình thành và mức độ tồn tại các lớp này thay đổi theo loại chất phản
ứng (dinh dỡng) đa vào.
Các chất có trong nớc thải chứa: Cacbon, oxy, Hidro, Nitơ và Photpho
cũng nh các chất vô cơ và hu cơ khác, ban đầu sẽ đợc vận chuyển đến lớp lọc
ở dạngdung dịch. Tỷ lệ dung dịch hoặc việc chuyển khối trong lớp lọc có thể
làm hạn chế mức độ của các phản ứng trên. Các chất nhận Hidro có thể là
các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy cho mục đích này, còn các vi sinh vật
yếm khí sẽ sử dụng các nguồn Sulphat, Nitrat, Cacbon dioxit hoặc các hợp

chất hữu cơ. Năng lợng chỉ đợc các vi sinh vật cung cấp ở dạng năng nợng
có trong các hợp chất hoá học hoăc nhờ gradient nhiệt do ánh sáng. Phần
năng lợng này đợc sử dụng cho phản ứng để tổng hợp sinh khối, phần còn lại
do tiêu tán do phát nhiệt. Hiệu ứng nhiệt trong thiết bị thờng có thể bỏ qua
khi nồng độ chất hữu cơ trong nớc thải là nhỏ.
Đặng Xuân Quyền Công nghệ môi trờng- khoá 3
19