Nghiên cứu phương pháp sinh học xử lý nước thải Nhà máy bia

mở đầu
Thế kỷ XX sản xuất công nghiệp phát triển mạnh mẽ tạo nên
những cuộc cách mạng cho nền kinh tế của nhiều nớc trên thế giới. Tuy
nhiên do sự phát triển nhanh các ngành công nghiệp với mục đích thu
lợi nhuận cao các nhà sản xuất đã không quan tâm hoặc ít quan tâm tới
hậu quả của các phế thải công nghiệp đối với môi trờng sinh thái. Nạn ô
nhiễm môi trờng ngày càng trở nên trầm trọng và con ngời đã phải trả
giá đắt cho những hậu quả do chính họ gây ra. Chính vì vậy những thập
niên cuối của thế kỷ XX vấn đề bảo vệ môi trờng là mối quan tâm hàng
đầu của nhiều nớc và các tổ chức trên thế giới.
ở Việt Nam nền công nghiệp tuy cha phát triển mạnh nhng do khó
khăn về kinh tế, vốn đầu t và ý thức của con ngời nạn ô nhiễm môi trờng
sinh thái cũng đã và đang trở thành vấn đề bức xúc. Các nhà máy công
nghiệp của Việt Nam hầu nh cha có sự quan tâm đúng mức đến vấn đề
chất thải, rất ít nhà máy có hệ thống xử lý nớc thải hoặc có thì cũng
hoạt động theo kiểu đối phó.
Những năm qua do nhu cầu của thị trờng, ngành công nghiệp bia
phát triển khá nhanh. Ngoài các nhà máy bia lớn thì hầu hết các địa ph -
ơng trong cả nớc đều có từ 1 dến vài chục dây chuyền bia thủ công. Do
vốn đầu t ít, thiếu công nghệ, lại chỉ quan tâm đến lợi nhuận, nớc thải
các dây chuyền bia này hầu nh không đợc xử lý mà đổ thẳng ra sông,
đồng ruộng, góp phần đáng kể vào nạn ô nhiễm môi trờng ở nớc ta. Theo
luật môi trờng mới đợc ban hành và theo các tiêu chuẩn của Việt Nam
do bộ khoa học công nghệ và môi trờng ban hành, việc làm trên của các
cơ sở sản xuất là vi phạm luât. Để góp phần giải quyết các khó khăn của
các cơ sở sản xuất nhỏ khắc phục tình trạng trên chúng tôi đặt vấn đề:
((
Nghiên cứu phơng pháp sinh học xử lý nớc thải nhà máy bia
))
.
Đề tài đợc thực hiện tại Phòng Công nghệ Lên men Viện công

nghệ sinh học- trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia.
1
Phần I: Tổng quan
I- Đặc điểm và phân loại nớc thải
1.1. Nớc thải công nghiệp
Nớc thải công nghiệp: Là nớc của các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ
công nghiệp. Nó không có tính chất chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng
ngành sản xuất. Tuỳ thuộc vào từng ngành sản xuất và giải pháp công nghệ, trang
thiết bị mà mức độ ô nhiễm của nớc thải công nghiệp và các ngành sản xuất rất
khác nhau.
Nồng độ chất hữu cơ, nguồn gây ô nhiễm bẩn chính dao động rất lớn. COD
của nớc thải công nghiệp ở một số ngành nh công nghiệp giấy, công nghiệp chế
biến thực phẩm, công nghiệp dệt, công nghiệp thuộc da... Có thể 1000- 20000
mg/l. Bản chất của các chất hữu cơ trong nớc thải của các ngành sản xuất cũng rất
khác nhau, có loại dễ phân huỷ (tỷ lệ BOD/COD 0,5), nh nớc thải của các nhà
máy chế biến thực phẩm rợu, bia, đờng, bánh ,kẹo... có loại khó phân huỷ nh nớc
thải của nhà máy giấy, phân xởng nhuộm của các nhà máy dệt... Mức độ ô nhiễm
của nớc thải công nghiệp ngoài chất hữu cơ còn có chứa những thành phần khác
gây độc hại đối với môi trờng nh kim loại nặng, các hợp chất lu huỳnh,
Nitơrat...Trên quan điểm tác động lên môi trờng ngời ta chia nớc thải thành các
dạng sau:.
+ Nớc thải ô nhiễm bẩn: Là nớc thải có chứa các hợp chất hữu cơ lớn, nhng
dễ phân huỷ. Loại nớc thải này dễ dàng xử lý bằng các phơng pháp sinh học
[2,5,6,7].
+ Nớc thải độc là nớc thải tuy chứa chất hữu cơ thấp nhng có chứa các thành
phần khác. Độc đối với môi trờng nh các kim loại nặng, các ion NO

3
, SO

2
4
.,
S
-
... Loại nớc thải này thờng phải xử lý bằng các phơng pháp hoá lý [4,8,9].
+ Nớc thải độc và bẩn : là nớc thải có chứa các hợp chất hữu cơ cao và khó
phân huỷ nh các hợp chất clo hữu cơ, các chất hữu cơ mạch vòng và đồng thời
cũng có thể có cả các hợp chất vô cơ độc [12,11,10].
2
Cách phân loại nớc thải nh trên có ý nghĩa rất quan trọng, nó giúp cho các
nhà sản xuất xác định chính xác phơng pháp xử lý triệt để nớc thải. Một đặc điểm
chung của nớc thải công nghiệp là lu lợng ổn định, tập trung nên dễ thu gom xử lý.
Tuy nhiên nếu các nhà máy không xử lý trớc khi thải ra môi trờng nó có thể gây ra
ô nhiễm ở diện rộng.
1.2. Nớc thải của một số ngành khác
1.2.1. Nớc thải trong sản xuất nông nghiệp
Thành phần : Gồm phân bón (có thể vô cơ, hữu cơ ), hoá chất dùng trong
nông nghiệp thờng là thuốc diệt cỏ, côn trùng, thuốc kích thích sinh trởng ... tất cả
những d chất này kéo theo vào nớc thải nông nghiệp làm ô nhiễm nguồn nớc. Đặc
trng của nớc thải này tuy không có mùi, nhng có thể độc.
Mức độ ô nhiễm của nớc thải nông nghiệp dao động phụ thuộc vào mùa vụ,
thời kỳ sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu... Một đặc trng cơ bản của nớc thải nông
nghiệp là lu lợng không ổn định, không tập trung nên khó thu gom để xử lý. Mức
độ ô nhiễm ở diện rộng, chính nớc thải nông nghiệp là nguyên nhân gây ra ô
nhiễm nguồn nớc ngầm[8,9].
1 2.2. Nớc thải sinh hoạt khu dân c
Thành phần của nớc thải rất phức tạp vì nguồn nớc thải sinh hoạt trong cộng
đồng là nguồn nớc các khu dân c, vùng thơng mại, khu vực cơ quan bệnh viện,
khu vui chơi, giải trí ... Nớc thải này, giàu chất hữu cơ, chủ yếu là hợp chất hữu cơ

chứa Nitơ, chất rắn lơ lửng, nhiều chất tạo keo, hàm lợng NH
4
+
, P
2
O
5
cao. Đặc biệt
nớc thải sinh hoạt có ô nhiễm vi sinh vật rất lớn, trong đó có cả vi sinh vật gây
bệnh nh colifom, fecacform... Lu lợng nớc thải sinh hoạt cũng không ổn định phụ
thuộc vào mật độ dân c, thời gian sinh hoạt, điều kiện sống của các khu dân c ...
Nớc thải sinh hoạt có vùng tập trung và cũng có vùng phân tán vì vậy việc xử lý
cũng rất khó khăn. ở các đô thị lớn của các nớc phát triển có quy hoạch tốt thì nớc
thải sinh hoạt thờng đợc tập trung về khu vực xử lý của thành phố. ở Việt Nam n-
ớc thải sinh hoạt hầu nh cha đợc xử lý kể cả ở các thành phố lớn nh Hà Nội, thành
phố Hồ Chí Minh... Trong số các nguồn ô nhiễm do nớc thải gây ra thì đáng chú ý
là nguồn nớc thải bệnh viện. Nớc thải này có các thành phần gây hại rất lớn cho
môi trờng nh d lợng của các chất kháng sinh, vi sinh vật gây bệnh, chất tẩy... Vì
3
vậy việc xử lý gặp nhiều khó khăn. Thờng với loại nớc thải này phải có chế độ xử
lý đặc biệt không nên tập trung vào dòng nớc thải sinh hoạt của thành phố [8].
1.3. Đặc trng của nớc thải nhà máy bia
Công nghiệp rợu bia là ngành sản xuất sử dụng nớc rất lớn. Định mức nớc
dùng cho công nghiệp phụ thuộc vào mức độ cơ giới hóa, tự động hoá và quy mô
của nhà máy. ở Việt Nam những năm gần đây công nghiệp bia phát triển khá
mạnh. Sản lợng bia bình quân đầu ngời tăng từ 2-3 lít/ ngời/ năm, trớc đây lên 6-
8lít/ngời/ năm. Ngoài các nhà máy bia lớn nh Sài Gòn, Hà Nội và một số các nhà
máy bia vừa nh Halida, Huda, Tiger... Thì hàng loạt các dây chuyền thủ công ở
các địa phơng đợc xây dựng trong những năm 1980-1990. Đối với các nhà máy
bia lớn nh bia Hà Nội định mức tiêu thụ nớc khoảng 15-20m

3
/1000 lít bia, còn dây
chuyền thủ công lợng nớc sử dụng vào khoảng 25-30m
3
/1000 lít bia. Trên thế giới
định mức nớc sử dụng vào khoảng 8-11m
3
/1000 lít bia.
Điều đó cho thấy lu lợng nớc thải của nhà máy bia là rất lớn. Trên thế giới
một số nớc ngời ta áp dụng phơng pháp hồi lu nớc để giảm định mức nớc sử dụng
xuống còn 4-6m
3
/1000 lít bia do đó giảm lu lợng nớc thải xuống còn 2,5-6m
3
/1000
lít bia [8].
Nớc thải nhà máy bia là một trong những loại nớc thải công nghiệp có mức
độ ô nhiễm các chất hữu cơ cao, COD từ 1000-3000mg/l, BOD từ 800-1500mg/l .
Ngoài ra nớc thải nhà máy bia còn chứa nhiều chất rắn lơ lửng là các bã của tinh
bột, malt, xác men, dịch lên men, bã thải... Làm cho nớc thải có độ đục cao, pH
dao động trong khoảng từ 4,5-7,0.Có thể suy kiềm(trong trờng hợp tây rửa tec).
Ngoài ra một số nhà máy sản xuất bia lon trong nớc thải có chứa kim koại nh hợp
chất nhôm, kẽm, đồng... Tuy nhiên nớc thải nhà máy bia là loại dễ phân huỷ sinh
học vì trong nớc thành phần chất hữu cơ chứa chủ yếu là các hydrat cacbon,
protein, nớc thải nhà máy bia có pH từ axit đến trung tính hoặc hơi kiềm. Vì có
hàm lợng chất hữu cơ cao nếu không xử lý môi trờng khu vực chứa nớc thải dễ xảy
ra phù dỡng. Tỷ lệ BOD/ COD > 0,5, do đó sử dụng biện pháp xử lý sinh học có
thể làm sạch triệt để nớc thải của nhà máy.
Nh vậy, trên cơ sở các thành phần của nớc thải, ngời ta có thể đánh giá độ ô
nhiễm bẩn của nớc thải và các đặc trng của nó bằng cách đa ra một số chỉ tiêu cơ

bản.
4
1.4. Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá độ ô nhiễm nớc thải
Các chỉ tiêu của nớc thải là tập hợp các đặc điểm, tính chất và hàm lợng các
thành phần khác nhau [8,9,14,17,18,19,21]. Các chỉ tiêu đợc phân loại thành các
nhóm sau:
+ Chỉ tiêu cảm quan : màu, mùi, độ đục.
+ Chỉ tiêu hóa lý: pH, t
o
, oxy hoà tan, nồng độ các chất lơ lửng (SS), nồng độ
chất hoà tan (TS), lợng cacbon tổng số (TC) ...
+ Chỉ tiêu sinh hoá bao gồm :
Nhu cầu oxy hoá học (COD), nhu cầu oxy sinh hoá (BOD) nồng độ ức chế hô
hấp của vi sinh vật 50% (IC50), nồng độ gây chết (LC50) ...
Tất cả các chỉ tiêu trên cho phép đánh giá tác động của nớc thải đối với môi
trờng sinh thái đồng thời tìm phơng pháp xử lý có hiệu quả.
1.4.1. Các chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ có trong nớc thải có tác động mạnh nhất đến sự ô nhiễm của
nớc thải và ảnh hởng trực tiếp đến nồng độ oxy hoà tan trong nớc khi thải ra môi
trờng dẫn đến làm giảm khả năng phân huỷ tự nhiên của hệ vi sinh vật làm cho
môi trờng sinh thái mất khả năng phục hồi. Một số chất hữu cơ ngoài khả năng
gây ô nhiễm bẩn còn có khả năng gây ô nhiễm độc nh các hợp chất clo hữu cơ,
photphat hữu cơ... Những chất này thờng khó phân huỷ và thông qua chuỗi thức ăn
sẽ gây độc trực tiếp đến cho ngời, chúng có khả năng gây bệnh ung th, các biến
đổi về gen dẫn đến các dị tật ở ngời và động vật. Các chất hữu cơ trong nớc thải đ-
ợc đánh giá qua chỉ tiêu (TC) tổng lợng cacbon có trong nớc thải tức là các chất
hữu cơ đợc quy về cacbon. Tuy nhiên chỉ tiêu này không nêu lên đợc bản chất của
chất hữu cơ có trong nớc thải. Thành phần chất hữu cơ có trong nớc thải thờng rất
phức tạp nó phụ thuộc vào nguồn gốc của nớc thải [20].
Bảng 1. Các chất hữu cơ thờng gặp và mối liên quan đến

nguồn gốc của nớc thải
Chất hữu cơ Nguồn gốc nớc thải
Hydratcacbon chất beó Nớc thải sinh hoạt thơng nghiệp, công nghiệp
Hydro cacbon Nớc thải nhà máy lọc dầu, nhà máy cơ khí
Thuốc trừ sâu Nớc thải nông nghiệp
5
Phenol Nớc thải công nghiệp chế biến thực phẩm chè ,cà
phê...
Protein Nớc thải công nghiệp lò mổ, thuộc da.
Các hợp chất clo hữu cơ Nớc thải nhà máy giấy, nông nghiệp
Các hợp chất hydro
cacbon mạch vòng
Nhà máy lọc dầu
Trong số các chất hữu cơ ngời ta phân ra các chất hữu cơ dễ hoà tan (Hydrat
cacbon, protein, phenol...) Các chất khó tan tạo nhũ (dầu, mỡ, dầu mỏ) các chất dễ
bay hơi (xăng, este..) Các chất huyền phù (tinh bột xenlulo...)
1.4.2. Các chất vô cơ
Các chất vô cơ thờng có trong nớc thải công nghiệp nh công nghiệp hoá
chất, công nghiệp tuyển quặng, công nghiệp gia công, chế tạo cơ khí. Trong các
chất vô cơ thì đáng chú ý là hàm lợng các kim loại nặng bởi vì chúng là những yếu
tố gây độc cho môi trờng sinh thái. Chỉ tiêu đặc trng tổng số các chất vô cơ có
trong nớc thải là độ tro. Độ tro là lợng cặn còn lại sau khi đã bay hơi hết nớc thải
và đốt cặn thu đợc ở 165
o
C sau 2 giờ. Một số chất vô cơ ở dạng phi kim loại đợc
xác định theo các phơng pháp riêng[4,8].
1.4.3. Nhu cầu oxy hoá học COD (Chemical oxygen demand)
Nhu cầu oxy hoá học COD là đại lợng đặc trng cho các chất khử (cả hữu cơ
và vô cơ) có trong nớc thải đợc oxy hoá bởi các chất hoá học, oxy hoá mạnh nh
K

2
Cr
2
O
7
hoặc KMnO
4
... Nó đợc tính bằng mg O
2
dùng để oxy hoá các chất khử
có trong một đơn vị thể tích nớc thải.
Thông thờng các chất khử dạng vô cơ có thể xác định đợc bằng các phơng
pháp hoá học khác do đó hiệu của COD tổng số với nhu cầu oxy để oxy hoá các
chất vô cơ đã biết có trong nớc thải sẽ cho ta gía trị hàm lợng các chất hữu cơ có
trong nớc thải.
Các phơng pháp xác định COD đã đợc chuẩn hoá theo quốc tế bao gồm các
phơng pháp sau:
+ Phơng pháp bicromat hồi lu kín
+ Phơng pháp bicromat hồi lu hở
6
+ Phơng pháp permanganat (ít sử dụng)
Trong đó phơng pháp bicromat hồi lu hở đợc dùng phổ biến hơn. Phơng pháp
hồi lu kín thờng đợc dùng để xác định COD của nớc thải có chứa nhiều chất dễ
bay hơi [17,18,21].
Bản chất của phơng pháp bicromat đợc thể hiện ở phơng trình sau
6e
-
(của chất khử) + 14H
+
+ Cr

2
O
7
2-
= 2Cr
2
+3
+ 7H
2
O
Phần lớn các hợp chất hữu cơ (95-100%) dới tác dụng xúc tác của Ag
2
SO
4
và
H
2
SO
4
đều bị oxy hoá bởi K
2
Cr
2
O
7
tạo thành CO
2
, H
2
O và NO

2
-
nếu trong các chất
khử có chứa N
2
.
1.4.4. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD
5
(Fiveday-Biochemical demand)
Nhu cầu oxy sinh hoá là lợng oxy (mg) xử dụng để oxy hoá các hợp chất hữu
cơ có trong 1 lít nớc thải trong điều kiện kín ở 20
o
C, không có ánh sáng do các
quá trình sinh hoá bởi vi sinh vật hiếu khí thực hiện. Thờng chỉ tiêu BOD đợc xác
định sau 5 ngày nuôi vi sinh vật nên chỉ số này đợc biểu thị BOD
5
, BOD
5
chiếm
khoảng 65-70% BOD toàn phần của nớc thải (BOD

) BOD

đợc xác định sau
khoảng 15-20 ngày nuôi vi sinh vật.
Để xác định chỉ tiêu này nớc thải phải đợc pha loãng ở mức độ sao cho lợng
oxy hoà tan có trong nớc đủ để oxy hoá toàn bộ các chất hữu cơ có trong nớc thải.
Chỉ số nồng độ oxy hoà tan ban đầu và sau khi nuôi trong nớc sẽ cho ta lợng oxy
cần thiết để oxy hoá các chất hữu cơ có trong nớc thải.
Một điều dễ thấy là sản phẩm của quá trình oxy hoá các chất hữu cơ là CO

2
và H
2
O và sinh khối vi sinh vật. Sinh khối vi sinh vật tạo thành chiếm khoảng
25% chất hữu cơ bị oxy hoá, do đó chỉ số BOD
5
thờng chỉ chiếm 60-70% tổng
chất hữu cơ có trong nớc thải. Ngoài ra nhiều trờng hợp trong nớc thải có chứa các
chất hữu cơ khó phân huỷ nh các hợp chất clo hữu cơ, cacbua hydro mạch vòng,
poly- phenol ... làm cho chỉ số BOD thấp hơn nhiều so với tổng lợng chất hữu cơ.
Trong thực tế ngời ta thờng sử dụng chỉ tiêu tỷ lệ BOD/COD để đánh giá mức độ
độc của nớc thải.
Nớc thải có tỷ lệ BOD/COD < 0,4 khó phân huỷ sinh học. Nớc thải có tỷ lệ
BOD/COD >0,5 dễ xử lý bằng phơng pháp sinh học.
7
1.4.5. Chỉ tiêu LC50 (Lethal concentration)
Là chỉ tiêu rất cơ bản để đánh giá độ độc của nớc thải đối với hệ sinh thái
môi trờng. LC50 là liều lợng gây chết 50% sinh vật thử ở thời điểm xác định, tơng
ứng với nồng độ chất thử hoặc nồng độ nớc thải trong môi trờng. Để xác định chỉ
tiêu này ngời ta phải sử dụng phơng pháp thử "test" sinh học với các sinh vật kiểm
định đã đợc tiêu chuẩn hóa nh bèo tấm [8], cá [19].
1.4.6. Chất rắn tổng số TS (Totalsolute)
Là lợng chất còn lại của nớc thải sau khi đợc sấy khô ở 105
o
C đến trọng lợng
không đổi.
1.4.7. Hàm lợng chất rắn huyền phù SS (Supended Solides)
Là lợng chất rắn lơ lửng trong nớc thải đợc xác định bằng cách ly tâm hoặc
lọc và sấy đến khối lợng không đổi ở 105
o

C.
II. Sự sinh trởng và phát triển của vi sinh vật trong quá
trình xử lý nớc thải
2.1. Vi sinh vật và đặc tính của vi sinh vật
Vi sinh vật là những cơ thể vô cùng nhỏ bé chỉ có thể quan sát đợc ở dới kính
hiển vi. Trong nớc thải cũng có mặt của quần thể vi sinh vật rất phong phú, bao
gồm tất cả các chủng loại vi sinh vật nh vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn,
coliform. Đó là những vi sinh vật thích nghi với môi trờng nớc thải và có khả
năng sử dụng những hợp chất hữu cơ có trong nớc thải nh nguồn dinh dỡng. Để
nghiên cứu khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong nớc thải của vi sinh
vật, phải tìm hiểu những đặc điểm sinh lý, sinh hoá của chúng .
Các chất hữu cơ trong nớc thải là một hỗn hợp phức tạp gồm nhiều chất có
cấu tạo hoá học rất khác nhau. Vì vậy khi xử lý nớc thải không thể sử dụng đơn
thuần một loài vi sinh vật mà phải sử dụng tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau.
Tuỳ thuộc vào thành phần của từng loại nớc thải, tỷ lệ các loài vi sinh vật và số
lợng sử dụng chúng trong xử lý cũng khác nhau. Tuy nhiên với nớc thải công
nghiệp thông thờng thì các loài vi khuẩn vẫn chiếm u thế [2,3,7,10,14,15,16].
8
2.2. Nhu cầu dinh dỡng và các yếu tố ảnh hởng đến quá trình sinh trởng và
phát triển của vi sinh vật
2.2.1. Nhu cầu dinh dỡng của sinh vật
Vi sinh vật sử dụng các chất dinh dỡng làm vật liệu xây dựng tế bào và
nguồn cung cấp năng lợng. Sự phát triển của vi sinh vật phụ thuộc vào nguồn
cacbon và nguồn dinh dỡng khác.
* Nguồn cacbon:
Nguồn cacbon là nguồn cung cấp dinh dỡng chủ yếu cho vi sinh vật. Nguồn
cacbon có hai chức năng : Cung cấp năng lợng cho hoạt động sống của vi sinh
vật, cung cấp nguyên liệu cho quá trình xây dựng tế bào. Dựa vào đặc điểm dinh
dỡng của vi sinh vật đối với nguồn cacbon, ngời ta chia vi sinh vật ra thành 2
nhóm.

-Vi sinh vật dị dỡng: Là nhóm vi sinh vật phổ biến trong tự nhiên. Các vi sinh
vật này sử dụng chủ yếu là các nguồn cacbon hữu cơ. Chúng đóng vai trò quan
trọng trong chu trình cacbon của tự nhiên.[1,2]
- Vi sinh vật tự dỡng: là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp các chất hữu
cơ cho cơ thể từ CO
2
và H
2
O [1].
* Nguồn dinh d ỡng Nitơ .
Nitơ là nguyên tố thứ hai sau (C) giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao
đổi chất của vi sinh vật. Là thành phần không thể thiếu của một số các hợp chất
hữu cơ trong vật chất sống nh prôtein axit amim, enzim, các bazơ nitơ. Trong tự
nhiên Nitơ tồn tại dới nhiều dạng hợp chất khác nhau. Khả năng sử dụng các hợp
chất Nitơ của các vi sinh vật khác nhau. Vi sinh vật có thể sử dụng đợc các hợp
chất Nitơ hữu cơ ( pepton, cao men, bột đậu...) và hợp chất Nitơ vô cơ.
* Nguồn dinh d ỡng muối khoáng.
Các nguyên tố khoáng trong hợp phần tế bào vi sinh vật chiếm tỷ lệ
không cao nhng có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình trao đổi chất của vi sinh
vật. Trong môi trờng nhân tạo thì khoáng chất thờng đợc đáp ứng bằng các
khoáng chất có trong nguyên liệu. Nhu cầu về các nguyên tố khoáng của các vi
sinh vật khác nhau, thay đổi theo đặc tính của từng loài, tuổi sinh lý của tế bào và
theo điều kiện của môi trờng. Trong số các chất khoáng thì quan trọng nhất là
9
photpho (50% khoáng khô), thành phần không thể thiếu đợc của axít nucleotít,
phopho lipit, các hợp chất cao năng. Nguồn cung cấp photpho cho vi sinh vật chủ
yếu là photpho vô cơ (K
2
HPO
4

, KH
2
PO
4
). Ngoài ra Mg là nguyên tố đa lợng
tham gia vào thành phần của các enzim, oxy hoá khử nhất là các enzim trong
chuỗi hô hấp và riboxom. Nguồn Mg dùng phổ biến trong nuôi cấy sinh vật là các
muối: MgSO
4
.7H
2
O, MgCl
2
. Canxi là nguyên tố quan trọng trong quá trình phát
triển của tế bào, tham gia vào quá trình điều chỉnh pH, có mặt trong thành phần
của một số enzim .
Khi xử lý nớc thải bằng vi sinh vật cần phải nghiên cứu nồng độ các chất
phù hợp với đặc điểm sinh trởng và phát triển của vi sinh vật. Nếu vợt ra ngoài
khoảng đó, sinh trởng của vi sinh vật có thể bị ức chế. Ngoài các nguyên tố trên vi
sinh vật còn cần các chất vi lợng (Co, Ni, Cu, Mo, B...) với chức năng là các chất
kính thích sinh trởng, điều chỉnh các hoạt động sinh lí sinh hoá của tế bào. Để
sinh trởng và phát triển một số loài vi sinh vật cần có các loại vitamin nh B
1
, B
2
,
B
12
, D, H...
2.2.2. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình sống của vi sinh vật

ảnh hởng của nớc và nồng độ các chất dinh dỡng .
Nớc đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động sống của vi sinh vật. Nớc
hoà tan các chất dinh dỡng nhờ đó mà chất dinh dỡng dễ dàng thẩm thấu qua
màng tế bào để cho vi sinh vật sử dụng. Nồng độ các chất dinh dỡng trong nớc
phải phù hợp với đặc điểm sinh lý của tế bào. Nồng độ các chất dinh dỡng cao quá
mức giới hạn tế bào sẽ mất nớc, nguyên sinh chất trong tế bào bị keo tụ lại làm
hoạt động trao đổi chất bị ngng trệ. Ngợc lại trong nớc cất tế bào bị trơng lên do
xảy ra hiện tợng thẩm thấu của nớc qua màng tế bào làm cho tế bào bị vỡ. Tỉ lệ
các chất dinh dỡng có ảnh hởng lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật. Mỗi loài
vi sinh vật cũng có nhu cầu khác nhau về tỷ lệ các chất dinh dỡng. Tỷ lệ C : N : P
phổ biến cho nhiều loài là 100 : 10 : 1.
* Nhiệt độ : Mỗi loại vi sinh vật có độ giới hạn nhiệt độ phát triển thích hợp
khác nhau. Đối với mỗi loại vi sinh vật có các giới hạn nhiệt độ phát triển tối thiểu
(T
o
min
), nhiệt độ phát triển tối đa (T
o
max
) và nhiệt độ phát triển thích hợp (T
o
opt
) .
Nấm mốc, xạ khuẩn có T
o

opt
phổ biến từ 26-30
o
C, nấm men có T

o
opt
vào khoảng
30-37
o
C. Trong khi đó ở vi khuẩn có sự khác biệt rất lớn về T
o
opt
. Phần lớn vi
khuẩn có T
o
opt
30-37
o
C , có nhiều loài vi khuẩn có T
o
opt
thấp 10-20
o
C (vi sinh vật a
10
lạnh) và có nhiều loài T
o
opt khá cao lớn 50-60
o
C (vi sinh vật a nhiệt). Trong xử lý
nớc thải hầu nh việc điều chỉnh nhiệt độ không thể thực hiện đợc mà thờng xử lý ở
nhiệt độ tự nhiên của môi trờng. Vì vậy ngời ta thờng chọn các loại vi sinh vật có
sẵn trong tự nhiên của khu vực để chúng có khả năng thích nghi với nhiệt độ môi
trờng tự nhiên.

* pH: Cũng tơng tự nh nhiệt độ pH cũng là yếu tố ảnh hởng lớn đến tốc độ
sinh trởng và phát triển của vi sinh vật. Phần lớn các vi sinh vật có pH phát triển
tối u từ 5,5-7,5 có một số loài phát triển tối u ở pH thấp (<4,5) và một số loài phát
triển tối u ở pH kiềm (>8). ở pH không thích hợp hệ enzim của vi sinh vật hoạt
động yếu hoặc bị bất hoạt do đó ảnh hởng trực tiếp đến quá trình trao đổi chất của
vi sinh vật. Để vi sinh vật sinh trởng và phát triển tốt cần duy trì pH thích hợp
trong suốt thời gian nuôi cấy .
* oxy hoà tan : Mối quan hệ của vi sinh vật đối với oxy rất khác nhau. Vi
sinh vật hiếu khí cần oxy để sinh trởng và phát triển. Vi sinh vật yếm khí oxy lại là
tác nhân gây độc. Nhóm vi sinh vật trung gian giữa hai nhóm này là nhóm hiếu
khí tuỳ tiện.
Trong xử lý nớc thải ở các bể aroten cần cung cấp đủ oxy để vi sinh vật hiếu
khí oxy hoá các chất hữu cơ có trong nớc thải. Còn xử lý yếm khí thì lại tiến hành
trong các bể kín để oxy không tan đợc vào trong nớc thải gây ức chế các vi sinh
vật yếm khí.
2.3. Quá trình sinh trởng và phát triển của vi sinh vật
Trong nuôi cấy vi sinh vật ngời ta đã xác định quá trình phát triển, sinh trởng
của chúng gồm bốn pha:
* Pha tiềm phát: Là pha thích nghi của vi sinh vật với môi trờng nuôi cấy. ở
pha này tế bào đang ở trạng thái nghỉ đợc trơng dần lên do nớc và chất dinh dỡng
thẩm thấu qua màng tế bào. Số lợng tế bào của vi sinh vật ở pha này hầu nh không
tăng lên, nhng sinh lý sinh hoá của tế bào thay đổi mạnh. Các enzim nội bào đợc
hoạt hoá và quá trình trao đổi chất bắt đầu diễn ra. Tuỳ từng loại vi sinh vật pha
tiềm phát có thể ngắn hay dài, thông thờng với vi khuẩn pha tiềm phát thờng kéo
dài khoảng 2-4h còn ở nấm men, nấm mốc pha tiềm phát thờng kéo dài từ 4-6h.
11
* Pha log: Sau khi pha tiềm phát kết thúc vi sinh vật bắt đầu phát triển mạnh ,
số lợng tế bào tăng theo số mũ. Cơ chất đợc vi sinh vật sử dụng hàm lợng các chất
dinh dỡng trong môi trờng giảm nhanh. Đối với vi khuẩn pha log thờng kéo dài
khoảng 8-10h nấm mốc, xạ khuẩn khoảng 20-24h, nấm men 12-16h.

* Pha cân bằng: Khi nồng độ các chất dinh dỡng trong môi trờng đã cạn dần
tốc độ của vi sinh vật cũng chậm lại và đạt mức cân bằng. ở pha này số lợng tế
bào hình thành và số lợng tế bào chết gần tơng đơng nhau. Đồ thị sinh trởng có
dạng nằm ngang và kéo dài cho đến khi các chất dinh dỡng trong môi trờng cạn
kiệt.
* Pha suy vong: Khi nguồn dinh dỡng cạn kiệt số lợng tế bào sống giảm
theo luỹ thừa, vi sinh vật giảm nhanh số lợng. Trong xử lý nớc thải cần phải xác
định thời điểm bắt đầu xuất hiện pha suy vong để kết thúc quá trình xử lý. Vì khi
vi sinh vật chết tế bào bị phân huỷ các chất hữu cơ của tế bào hòa tan vào môi tr-
ờng nớc làm cho COD, BOD tăng lên gây hiện tợng tái ô nhiễm trở lại.
III. Các phơng pháp xử lý nớc thải
Để xử lý nớc thải có rất nhiều phơng pháp đợc sử dụng. Tuỳ thuộc vào đặc
tính của nớc thải và yêu cầu làm sạch của nớc ở mức độ nào thì ngời ta chọn ph-
ơng pháp xử lý thích hợp.
Các phơng pháp dùng để xử lý nớc thải có thể phân chia nh sau:
- Phơng pháp cơ học
- Phơng pháp hoá học
- Phơng pháp hoá lý
- Phơng pháp sinh học.
Trong số các phơng pháp trên thì phơng pháp hoá lý và phơng pháp sinh học
đợc sử dụng nhiều nhất.
3.1. Phơng pháp cơ học
Phơng pháp này chỉ sử dụng trong trờng hợp nớc thải có nồng độ các chất
không hoà tan cao, lợng chất hoà tan thấp. Xử lý cơ học đợc tiến hành trong các bể
lọc có các chứa các chất lọc nh cát, sỏi, màng lọc... Đối với nớc bị ô nhiễm dầu
tràn với hàm lợng lớn ngời ta thờng sử dụng phơng pháp thu gom, vớt [8,9].
12
3.2. Phơng pháp hoá học
Phơng pháp này dựa trên các phản ứng hoá học diễn ra giữa các chất trong n-
ớc thải với các hoá chất đa vào. Những phản ứng này xảy ra là những phản ứng

oxy hoá khử, phản ứng tạo kết tủa, và phản ứng phân huỷ.
Phơng pháp này nhờ quá trình oxy hoá khử, tách các tạp chất, chất mang tính
độc có trong nớc thải đợc chuyển thành các chất không độc, một phần ở dạng lắng
cặn [8,9].
Các nhà khoa học Nhật Bản đã tìm ra phơng pháp hữu hiệu để xử lý nớc thải
của các nhà máy rợu bằng cách xục ozôn để tạo ra kết tủa xốp dễ dàng tách ra
khỏi nớc thải[13].
Nớc thải đợc xử lý bằng ozôn giảm tới 70-80% COD và đợc tiếp tục đợc xử
lý sinh học, rút ngắn quá trình xử lý. Nớc thải sau khi xử lý hoàn toàn sạch gần t-
ơng đơng chất lợng nớc uống.
3.3. Phơng pháp hoá lý
Các phơng pháp hoá lý để xử lý nớc thải công nghiệp đều dựa trên cơ sở ứng
dụng các quá trình keo tụ, hấp thụ, hấp thụ trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi
ion, tinh thể hoá, dialyz qua màng bám thấm.
Keo tụ: Sử dụng các chất keo tụ và các chất trợ keo tụ để liên kết các chất
bẩn ở dạng lơ lửng xuống. Nhờ quá trình này nớc đợc làm trong và khử đợc mầu
của nớc thải.
Tuyển nổi: Sử dụng các chất keo tụ nhẹ và trợ keo tụ để liên kết các chất bẩn
tạo thành bọt xốp thu hút chúng lại và kéo theo chúng nổi lên bề mặt nớc để thu
gom. Có thể tăng cờng quá trình tạo bọt keo tụ bằng cách xục không khí vào hỗn
hợp nớc thải và chất keo tụ nhẹ.
Hấp thụ và hấp phụ: Tách chất bẩn và khí hoà tan bằng cách liên kết các
chất đó lên bề mặt chất rắn (hấp phụ). Các chất hấp phụ là những chất có hoạt tính
bề mặt nh bentônit, than hoạt tính, nhựa hấp phụ...
Trích ly: Sử dụng các dung môi không tan trong nớc và độ hoà tan chất bẩn
lớn hơn độ hoà tan chất bẩn của nớc. Sau đó tách dung môi và chất bẩn ra khỏi n-
ớc, cất thu hồi dung môi để loại chất bẩn.
13
Cô chân không: Nớc thải đợc đa vào hệ thống cô để bay hơi, nớc đợc tách ra
dới dạng ngng tụ và đợc quay vòng lại sản xuất. Các chất khô còn lại đợc đa vào

hệ thống sấy khô có thể sử dụng nh là các chất bổ xung vào thức ăn chăn nuôi.
Dạng này sử dụng phổ biến ở các nhà máy sản xuất sinh khối nấm men với chu
trình nớc khép kín ở Liên Xô cũ nh nhà máy Kirov [22].
Trao đổi ion: Là phơng pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao
đổi ion. Phơng pháp này thờng sử dụng để tách các ion kim loại nặng ra khỏi nớc.
Tách thẩm tích: Là phơng pháp tách các chất bẩn ra khỏi nớc bằng cách
phân ly thẩm tích qua màng bán thấm.
Đốt để thu hồi các hoá chất: Phơng pháp này thờng đợc sử dụng ở các nhà
máy sản xuất bột giấy nấu sunphat. Dịch kiềm đen trong đó có chứa Na
2
S, NaOH
và các chất hữu cơ đợc đa vào lò hơi đốt cùng với than hoặc dầu để tạo ra năng l-
ợng. Chất tro có chứa NaOH đợc tái sử dụng trong sản xuất.
3.4. Phơng pháp xử lý sinh học
Đây là phơng pháp sử dụng phổ biến nhất để làm sạch nớc thải, đặc biệt là
đối với nớc thải công ngiệp có chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ. Ưu điểm
lớn của phơng pháp này là rẻ tiền hiệu quả cao và làm sạch nớc thải một cách triệt
để đảm bảo tiêu chuẩn thải ra môi trờng. Phơng pháp sinh học đợc chia ra nhiều
phơng pháp dựa vào bản chất của quá trình sinh học. Theo cách phân chia này có
phơng pháp xử lý hiếu khí, phơng pháp xử lý hỗn hợp, phơng pháp yếm khí.
Theo công nghệ xử lý ngời ta chia các phơng pháp nh sau:
- Phơng pháp xử lý tự nhiên
- Phơng pháp xử lý cỡng bức.
3.4.1. Phơng pháp xử lý tự nhiên
Bản chất của phơng pháp này là nớc thải tự làm sạch ở các lu vực chứa dới
tác dụng của vi sinh vật và các sinh vật thuỷ sinh có sẵn trong tự nhiên. Phơng
pháp này bao gồm:
3.4.1.1. Cánh đồng lọc
Bản chất của phơng pháp này là sử dụng khu hệ vi sinh vật tự nhiên có trong
đất kết hợp với canh tác. Phơng pháp này có hiệu quả kinh tế cao không phải đầu

14
t, không tốn năng lợng. Nhng phơng pháp này chỉ áp dụng với nớc thải có độ ô
nhiễm thấp, không độc với sản xuất nông nghiệp và chỉ áp dụng với các nhà máy ở
gần khu vực sản xuất nông nghiệp, có hệ thống mơng dẫn nớc ra ngoài cánh đồng.
Tuy nhiên phơng pháp này ít sử dụng vì khó chọn đợc địa điểm thích hợp để xây
dựng nhà máy.
3.4.1.2. Hồ sinh học
Hồ sinh học là các lu vực đợc đảm nhiệm luôn chức năng để xử lý nớc thải
bằng sinh học, nớc thải trong hồ tự làm sạch trên cơ sở tác dụng của vi sinh vật tự
nhiên kết hợp với các sinh vật khác chủ yếu là tảo và động vật nguyên sinh
(protoroa).
Ưu nhợc điểm của phơng pháp này:
Ưu điểm:
- Vận hành đơn giản.
- Không đòi hỏi quản lý thờng xuyên.
- Vốn đầu t ít.
Nhợc điểm:
- Đòi hỏi ở diện tích rộng.
Căn cứ vào đặc tính của vi sinh vật và cơ chế xử lý ngời ta chia làm 3 loại hồ:
hồ kỵ khí, hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp, hồ hiếu khí.
* Hồ kỵ khí:
Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng phơng pháp sinh hoá tự nhiên dựa
trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Loại hồ này thờng dùng để xử lý nớc
thải công nghiệp, có độ nhiễm bẩn cao, chiều sâu của hồ phải >4m.
* Hồ hiếu kỵ khí hỗn hợp
Với hồ này thờng gặp trong điều kiện tự nhiên phần lớn là ao, hồ. ở hồ này
thờng xảy ra 2 quá trình: quá trình ôxy hoá hiếu khí và phân huỷ kỵ khí. Hồ này
hoạt động ở ba vùng khác nhau: Lớp trên là vùng hiếu khí, lớp giữa là vùng trung
gian, lớp dới là vùng kỵ khí, chiều sâu của hồ từ 2-3m.
15

Nguồn ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá các hợp chất hữu cơ ở vùng hiếu
khí chủ yếu là ôxy đợc giải phóng ra trong quá trình quang hợp của rong, tảo dới
tác dụng của bức xạ mặt trời, ôxy khuếch tán qua mặt nớc dới tác dụng của sóng
gió.
ở vùng kỵ khí các cặn bẩn hữu cơ đợc vi sinh vật kỵ khí phân huỷ tạo thành
CO
2
và H
2
O, H
2
và các axit hữu cơ. Các hợp chất này khuếch tán lên phía trên và
đợc vi sinh vật hiếu khí ở vùng trung gian sử dụng tạo thành CO
2
đợc tảo ở lớp trên
sử dụng trong quá trình quang hợp.
* Hồ hiếu khí
Quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí có trong tự nhiên,
ôxy cung cấp cho quá trình ôxy hoá chủ yếu cho sự khuếch tán không khí qua mặt
nớc và quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh (rong, tảo). Để đảm bảo ánh
sáng cho lớp thực vật thuỷ sinh ở đáy hồ, độ sâu của hồ không lớn (0,6-1,2m). Hồ
có tải trọng không cao khoảng 100-300 kg BOD/3 ngày. Thời gian lu của nớc thải
3-7 ngày phụ thuộc vào nhiệt độ của từng mùa.
3.4.2. Phơng pháp xử lý sinh học hiếu khí cỡng bức (nhân tạo)
3.4.2.1. Bản chất quá trình xử lý
Bản chất của quá trình xử lý hiếu khí cũng diễn ra theo cơ chế ôxy hoá với
tác nhân là vi sinh vật. Điểm khác cơ bản của phơng pháp xử lý sinh học hiếu khí
cỡng bức so với phơng pháp xử lý tự nhiên ở 2 điểm.
- ôxy đợc cung cấp cho quá trình xử lý cỡng bức nhờ các hệ thống máy nén
khí, guồng hoặc bơm hồi lu qua dàn ma.

- Vi sinh vật sử dụng là tổ hợp vi sinh vật có trong bùn hoạt tính đợc đa vào
bằng cách quay vòng bùn. Quá trình ôxy hoá các hợp chất hữu cơ bao gồm:
+ ôxy hoá các hợp chất hữu cơ theo phơng trình phản ứng sau.
- Với các hợp chất không chứa Nitơ:
OH
Y
XCOO
ZY
XOHC
zyx 222
2
)
24
(
+++
- Với hợp chất có chứa Nitơ.

3222
2
)
4
3
24
( NHOH
Y
XCOO
ZY
XNOHC
zyx
++++

16
- Một phần chất hữu cơ có đợc chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật
( các protein của tế bào) bằng quá trình oxy hoá.
OHy
n
COxn
NCOOHHCnO
ZY
XnNHOHnC
zyx
22
6223
)4(
2
)5(
)()5
24
(
+
++++
+ Sinh khối vi sinh vật nếu không đợc tách ra khỏi nớc thải đã xử lý sẽ bị
phân huỷ tiếp trong quá trình oxy hoá.
(C
4
-H
6
NCOOH) + O
2
5 CO
2

+ NH
3
+ 2H
2
O
Trong điều kiện d oxy, NH
3
dễ dàng oxy hoá tiếp tục để tạo thành NO
2
-
và
tiếp tục sau đó tạo thành NO
3
-

3.4.2.2. Vi sinh vật sử dụng trong xử lý n ớc thải
Vi sinh vật sử dụng trong xử lý nớc thải phải có các yêu cầu sau:
- Có khả năng oxy hoá mạnh các hợp chất hữu cơ.
- Kích thớc của vi sinh vật lớn, không phải là dạng sợi, tạo nha bào, có khả
năng tạo bông hạt kết dính với nhau để tạo bùn sinh học.
- Trong một số trờng hợp nớc thải có chứa các chất hữu cơ phức tạp nh các
hợp chất clo hữu cơ cần chọn các chủng vi sinh vật đặc biệt có hệ enzim phân huỷ
đợc chúng [10]
Với các đặc điểm trên phần lớn các vi sinh vật sủ dụng là vi khuẩn. Ngoài ra
một số trờng hợp xử lý có thể kết hợp với ,nấm mốc, xạ khuẩn để phân huỷ các
chất hữu cơ khó phân huỷ nh các hợp chất PCB, Polyclocatechol, polyclophxol...
[10]
Các vi khuẩn thờng dùng để tạo bùn hoạt tính trong xử lý nớc thải
Pseudononas, Nitrobacter, flavobacterium, Alcaligenes...
- Vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện bao gồm các chi: Cellulomonas,

Rodopseudomonas, Nitromonas.
Ngoài ra tuy không mong muốn nhng trong bùn hoạt tính sử dụng trong quá
trình xử lý nớc thải thờng gặp vi khuẩn dạng sợi (vi hiếu khí) nh microthrix,
thiothrix, Besgiata...
17
Trong bùn hoạt tính còn có một thành phần quan trọng là nguyên sinh động
vật (Flagellata, Cillata...)
Các nguyên sinh động vật có tác dụng làm cho bùn xốp dễ kết lắng và một số
loại sử dụng xác vi khuẩn chết làm nguồn thức ăn tạo cho bùn có tỷ lệ vi khuẩn
sống cao, hoạt tính mạnh.
3.4.2.3. Các hệ thống xử lý hiếu khí
3.4.2.3.1. Bể aeroten
Bể aeroten đợc dùng phổ biến nhất trong xử lý nớc thải bằng phơng pháp sinh
học. Vi sinh vật đợc đa vào dới dạng huyền phù (bùn hoạt tính) không khí đợc cấp
vào cỡng bức dới dạng khí nén hoặc do khuấy bằng tuyếc bin.
Sơ đồ hoạt động của hệ thống aeroten đợc trình bày ở bảng 1
18
H×nh 1: S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng aeroten.
19
N­ícth¶i
bÈn
1
2
3
4
5
6
KhÝ NÐn
Ch¾n r¸c
1- Chắn rác.

2- Bể lắng sơ bộ, điều hoà lu lợng điều chỉnh pH và bổ sung các khoáng chất
dinh dỡng.
3- Bể aeroten.
4- Bể lắng.
5- Bơm bùn.
6- Bể xử lý bùn.
Bể aeroten có nhiều dạng đợc phân loại theo nhiều cách khác nhau:
- Phân loại theo nguyên lý làm việc.
- Hệ thống có quay vòng bùn.
- Hệ thống không có tái sinh bùn.
Phân loại theo các dạng cấp khí: Bể aeroten có dạng cấp khí sau:
3.4.2.3.2. Cấp khí theo tầng: Thờng dùng với các aeroten có chiều sâu
lớn,COD ban đầu cao. Phơng pháp này giúp giảm chi phí khi nén và làm cho bể
aeroten hoạt động hiệu quả ở tất cả các tầng theo chiều sâu của bể.
20