cơ sở lý thuyết quá trình lọc sinh học

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI:
2.1.1 Đònh nghóa:
Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên
bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải.
Phương pháp dùng vi sinh vật cố đònh để xử lý nước thải được phân làm 3 phương
pháp: là phương pháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên
kết chéo trong đó quá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp
vận chuyển kết gắn. Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố đònh
với hai phương pháp còn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh
học bởi vì chúng có cùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý. Trong phần này, chỉ
thảo luận trong phạm vi hẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí
2.1.2. Phân loại:
Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:
• Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyên
tắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước. Phương pháp này còn được chia
thành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể: nền cố đònh (fixed bed),
nền mở rộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed).
• Thiết bò sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor). Đóa quay sinh học sử dụng
một lượng lớn các đóa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nước
thải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt
của đóa.
• Thiết bò lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước được chảy
từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc. Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn hay
chữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được
tưới liên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể. Khi

18
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
nước thải chảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếp
xúc với nước thải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch.
2.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÀNG VI SINH VẬT:
2.2.1. Cấu tạo màng vi sinh vật:
Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những quần thể vi sinh vật và một
số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào
(gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi
chất và quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu
của các loại polymer ngoại tế bào nay là polysaccharide, protein.
Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu
trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật (hình 3.1) bao gồm:
Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạng
khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật.
19
Màng kỵ khí
NO
3
-
NO
2
-
Màng hiếu khí
Lớp màng sinh học
Lớp hiệu quả
Giá thể
BOD
NH
4

+

H
2
S
Acid hữu cơ
Nước thải
Hình: 3..1 Cấu tạo màng vi sinh vật
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những
hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra. Phát hiện
mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những
cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer
ngoại tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang
và chiều đứng. Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều
đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngan, kết quả là sự phân bố sinh
khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất. Và quan trọng hơn là sự vận chuyển
cơ chất từ chấât lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bò
chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ. Chất lỏng có thể lưu
chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm
thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể
xảy ra theo mọi hướng trong đó. Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình
vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi
sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng
số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý.
Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia
thành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớp
màng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.2.1). Trong
màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì
chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy

hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía
ngoài trở thành lớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy
trở thành lớp màng kỵ khí.
2.2.2. Quá trình tiêu thụ cơ chất:
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu
cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật
từ nước thải tiếp xúc với màng.
Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với
bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân
tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi
chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng
20
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bò phân
hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục
quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối của
quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình
tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau:
Màng hiếu khí:
Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết
Chất hữu cơ + oxy + nguyên tố vết


sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
Màng kỵ khí:
Chất hữu cơ + nguyên tố vết
Chất hữu cơ + nguyên tố vết



sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối.
Các phương trình trên miêu tả chung quá trình tiêu thụ cơ chất bởi vi sinh vật,
không chỉ riêng đối với quá trình màng vi sinh vật.
Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bò thiếu,
những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Chẳng hạn, nếu một trong những cơ
chất bò hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng
sinh học sẽ không tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của
quá trình, đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác đònh từ
vò trí đó. Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có
đủ trong nước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của
phản ứng. Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn
trong màng hiếu khí. Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp
xúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giới
hạn. Do đó, ngay cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vò trí
tiêu thụ hết oxy trở thành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic). Lớp màng kỵ
khí không đóng vai trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải. Tuy nhiên, trong lớp
màng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng
hạt rắn, oxy hóa chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử
nitrat, nitrit tạo ra từ lớp màng hiếu khí. Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu
khí và kỵ khí trong lớp màng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá
trình màng vi sinh vật.
21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
2.2.3. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật:
Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ
cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát
triển bám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn :
Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa
bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,

cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.
Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai
đoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay
đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát
triển cũng không đổi trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để
duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ
chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh
khối và lớp màng sẽ bò mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và
sinh khối.
Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn đònh, khi đó tốc độ phát
triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo
dây chuyền thực phẩm, hoặc bò rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy. Hình 3.2 cho
22
bacteria
protozoa
algae
metazoa
Hình 3.2.: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh
Thời gian , ngày
Số lượng
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật. Trong quá trình phát triển của màng vi
sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2). Lúc đầu, hầu hết
sinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình
thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm
giảm lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn
điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn
quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước. Nghiên cứu
của Inamori cho thấy có hai loài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật. Một loài
ăn vi khuẩn lơ lửng và thải ra chất kết dính, kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch

nước. Loài còn lại ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán
sinh khối. Và nếu hai loài này có sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất
hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao.
Bảng 3.2.3. Xác đònh sự tích lũy của màng vi sinh vật.
Phân loại 2.1. Phương pháp phân tích
(A) Xác đònh trực tiếp khối lượng màng vi
sinh vật:
Bề dày màng; Khối lượng màng
(B) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Thành phần màng vi sinh vật xác
đònh
Polysaccharide; Tổng carbon hữu cơ;
COD; Protein
(C) Xác đònh không trực tiếp lượng màng vi
sinh vật: Vi sinh hoạt động bên trong màng
Đếm tế bào nhìn thấy được; ATP;
Lipopolysaccharide; Tốc độ loại bỏ cơ
chất
(D) Xác đònh không trực tiếp lượng màng
vi sinh vật: nh hưởng của màng vi sinh
vật tới các đặc tính chuyển động.
Ma sát
Ngăn cản truyền nhiệt.
2.3. NHỮNG TÍNH CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH MÀNG VI SINH.
2.3.1. Đặc tính dính bám của màng sinh học:
Khả năng dính bám của màng sinh học trên bề mặt rắn là 1 trong những nhân
tố quan trọng của quá trình màng sinh học vì nó thường ảnh hưởng đến tốc độ phát
23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
triển và những khó khăn liên quan đến việc tẩy rửa màng sinh học. Có 2 nhân tố

hoá lý ảnh hưởng đến khả năng dính bám của màng sinh học: tác nhân thứ nhất là
hiện tượng tónh điện. Quy luật tổng quát là: sự kết hợp của 2 thực thể kỵ nước với
nhau hoặc với thực thể ưa nước cũng luôn ổn đònh dưới góc nhìn năng lượng tự do.
Sự kết hợp dưới cơ chế gọi là sự tương tác của tính kỵ nước, và không cần thiết để
nói rằng quy luật này có thể ứng dụng đến sự hấp phụ tế bào vi sinh vật lên bề mặt
vật rắn.
Giữa các đặc tính vật lý của bề mặt vật rắn có thể ảnh hưởng đến khả năng
dính bám của màng vi sinh, sự gồ ghề là 1 trong những đặc tính có thể xác nhận.
Các quan sát cho thấy bề mặt gồ ghề có ảnh hưởng quan trọng đến thời kì hình
thành lớp màng ban đầu và số lượng gắn kết nhiều hơn nhiều so với bề mặt nhẵn.
Nhưng sự gồ ghề của bề mặt không phải là nhân tố quan trọng trong tổâng lượng
màng vi sinh được thành lập. Theo nghiên cứu của 1 số nhà khoa học khi so sánh
đặc tính dính bám của màng sinh học trên các vật liệu : polyvynylchloride (bề mặt
không xử lý) và polyethylene (A) , vật liệu cùng loại được chà láng bằng giấy
nhám mòn (B) , chà bằng giấy thô (C) và dán chúng vào cùng 1 đóa trong đơn vò lọc
sinh học tiếp xúc quay. Và kết quả chỉ ra rằng tốc độ kết dính và tổng lượng dết
dính như sau A<B<C. Vậy độ gồ ghề có thể ảnh hưởng ít đến sự kết hợp của màng
vi sinh trên bề mặt rắn, nó chỉ ra rằêng độ gồ ghề của bề mặt có ảnh hưởng đến mức
độ cao hơn của lượng màng bám dính và đặc tính dính bám thay đổi dựa trên điều
kiện sinh lý của vi sinh vật . Điều nay dễ nhận ra dựa trên những cơ chế kết dính
đã đề cập ở trên.
Sự liên quan đến hiệu quả dòng chảy qua bề mặt màng, Hekejekian nhận thấy
rằng tốc độ cao sẽ làm chậm trễ quá trình hình thành lớp màng cơ bản , nhưng 1 khi
đã thành lập thì tốc độ dòng chảy càng cao thì sự sinh trưởng của màng càng tăng
nhanh. Sander và Characklis tốc độ cao nhất ở mức cao của tốc độ trong khoảng
(0.1-1 ft/s). nh hưởng này được quy cho dòng chảy mạnh mang nhiều cơ chất từ
chất lỏng lên bề mặt lớp màng, các lớp màng nhờn có thể chống lại lực cắt vượt
quá 10 -15 (dyn/ cm
2
) và màng phát triển ở tốc độ cao càng bám chặt vào bề mặt

rắn. Cần chú ý rằng sự phân phối các chủng loại vi sinh trêm lóp màng thay đổi với
mức độ hỗn loạn.
24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC
25
V
min
V
min
V
min
1/x (độ dày của lớp điện tích kép
G G G
GGG
a
b c
c’
b’a’
h h h
hhh
V
R
V
A
V
min
V
min
V
max

V
R
V
max
V
A
V
A
V
R
Cộng thêm lực
dẩy Born
Hình 3.3.:Năng lượng tương tác giữa 2 phần tử