Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý chất thải vệ sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ
XỬ LÝ CHẤT THẢI VỆ SINH
NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
TRẦN HỮU LONG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thị Thu Thuỷ

HÀ NỘI, 2005


Lời cảm ơn
Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc tới: PGS. TS. Nguyễn Thị Thu Thuỷ - Giảng viên
Viện Khoa học Công nghệ & Môi trường - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, PGS. TS. Cao Thế Hà - Phó giám đốc Trung tâm
Nghiên cứu Công nghệ môi trường & Phát triển Bền vững - Trường
Đại học Khoa học Tự Nhiên đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tơi.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện Khoa
học Công nghệ & Môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội đã đem
đến cho tôi những bài giảng q báu trong q trình học tập.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn Giám đốc và tập thể cán
bộ thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường & Phát triển
Bền vững đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành
luận văn này.

Học viên

Trần Hữu Long


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU. ................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................ 3
1.1. Các phương pháp xử lý nước thải. ................................................. 3
1.1.1. Phương pháp xử lý cơ học ........................................................... 3
1.1.2. Phương pháp xử lý hoá lý ............................................................ 4
1.1.3. Phương pháp hoá học ................................................................... 5
1.1.4. Phương pháp sinh học .................................................................. 6
1.2. Thành phần vi sinh trong nước thải............................................... 7
1.2.1. Vi khuẩn (Bacteria) ...................................................................... 7
1.2.2. Nấm (Fungi) ................................................................................. 8
1.2.3. Tế bào nguyên sinh (Protozoa) .................................................... 9
1.3. Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước ......................................... 9
1.4. Quá trình biến đổi, tăng trưởng và năng lượng cần để
hoạt động của vi sinh vật ............................................................... 11
1.4.1. Vai trò quan trọng của Enzim ................................................... 11
1.4.2. Vai trò của năng lượng............................................................... 12
1.4.3. Vai trò của chất dinh dưỡng ....................................................... 12
1.4.4. Sự tăng trưởng của vi sinh vật ................................................... 13
1.4.5. Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng .................................. 13
1.4.6. Sự tăng trưởng của vi sinh vật về khối lượng ............................ 15
1.4.7. Sự tăng trưởng trong môi trường hỗn hợp ................................. 16
1.5. Động học của quá trình xử lý sinh học......................................... 16
1.5.1. Chất nền - giới hạn của sự tăng trưởng ...................................... 16

1.5.2. Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền ................................ 18
1.5.3. Ảnh hưởng của hô hấp nội bào .................................................. 19
1.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................. 20


1.5.5. Các công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền ..................... 21
1.6. Mô tả các phương pháp xử lý bằng sinh học............................... 21
1.6.1. Xử lý sinh học nước thải trong điều kiện tự nhiên .................... 22
1.6.2. Xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo .................................. 29
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . 57
2.1. Mục đích nghiên cứu ..................................................................... 57
2.2. Đối tượng nghiên cứu .................................................................... 57
2.3. Phương pháp nghiên cứu .............................................................. 60
2.3.1. Phương pháp tổng hợp thống kê phân tích tài liệu .................... 60
2.3.2. Thiết bị Pilot .............................................................................. 61
2.3.3. Các thông số được chọn để nghiên cứu ..................................... 63
2.3.4. Phương pháp thực nghiệm ......................................................... 64
2.3.5. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước thải ................... 64
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................... 71
3.1. Chế tạo Pilot ................................................................................... 71
3.1.1. Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải ......................................... 71
3.1.2. Thiết kế Pilot chi tiết .................................................................. 71
3.2. Khảo sát tính chất của nước thải vệ sinh trước khi xử lý .......... 80
3.3. Kết quả phân tích mẫu nước sau hệ thống xử lý ........................ 81
3.4. Tính tốn thiết kế hệ xử lý nước thải vệ sinh cho
sân bay Nội Bài ............................................................................... 82
3.4.1. Phương án 1 (tính theo phương trình động học bậc 1) ............. 83
3.4.2. Phương án 2 (tính theo năng suất xử lý của một đơn
vị thể tích - năng suất riêng) ..................................................... 85
3.4.3. Phương án 3 .............................................................................. 87

3.5. Tính tốn chi phí xây dựng Pilot .................................................. 92
Kết luận và kiến nghị ..................................................................... 94
Tài liệu tham khảo ......................................................................... 96
Phu lục


1

MỞ ĐẦU
Đất, nước, khơng khí là ba nhân tố cơ bản và là nguồn gốc của mọi sự
sống trên trái đất. Trong đó nước là một nhân tố vơ cùng quan trọng. Cuộc
sống của chúng ta có thể thiếu điện, thiếu trường học, thiếu hệ thống đường
giao thông,... nhưng không thể thiếu nước. Nước cần cho mọi hoạt động sống
của cơ thể, tham gia trực tiếp hay gián tiếp vào các hoạt động sống của con
người như: trong sinh hoạt, sản xuất công - nông nghiệp, dịch vụ, du lịch,
giao thơng vận tải,...Ngồi ra, nước cịn tham gia vào các chu trình vật chất
trong tự nhiên, nước là mơi trường sống của các lồi thuỷ sinh vật.
Cùng với q trình cơng nghiệp hố - hiện đại hố việc bùng nổ dân số
đã làm cho rừng bị tàn phá, khai thác tài nguyên thiên nhiên bừa bãi, các chất
thải từ các nhà máy, xí nghiệp, từ các khu đơ thị, từ các phương tiện giao
thông vận tải, từ các khu du lịch,...Tất cả các yếu tố trên đều là nguyên nhân
làm gia tăng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm mơi trường bởi các chất
thải có nguồn gốc từ các hoạt động sinh hoạt, trong đó có nước thải vệ sinh.
Vì vậy, địi hỏi phải được quan tâm và bảo vệ.
Ngày nay, các hoạt động như du lịch, giao thông vận tải (đường thuỷ, bộ,
không) ngày càng phát triển, kèm theo sự phát triển đó là các chất thải phát
sinh từ các hoạt động trên ngày càng gia tăng, trong đó nước thải vệ sinh từ
những nguồn như tàu hoả, tàu thuỷ, xe đường dài, các khu du lịch,... hiện còn
nhiều bất cập. Nước thải sinh hoạt từ các hoạt động này hiện nay chưa được
thu gom và xử lý. Do đó, cần thiết phải có những biện pháp thu gom và xử lý

nhằm hạn chế tối thiểu những tác động của chúng tới môi trường và sức khoẻ
con người.
Xuất phát từ thực tiễn là hiện nay ở hầu hết các khu du lịch và trên các
phương tiện như tầu hoả, tầu thuỷ, xe đường dài, xe Bus,... chưa có hệ thống


2

thu gom và xử lý nước thải vệ sinh. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để xử lý
nước thải vệ sinh trước khi thải ra ngồi mơi trường, nhằm hạn chế các tác
động tiêu cực đến môi trường và sức khoẻ con người. Để góp phần nghiên
cứu giải quyết vấn đề này chúng tôi thực hiện đề tài " Nghiên cứu phát triển
công nghệ xử lý chất thải vệ sinh" cho luận văn tốt nghiệp với mục đích:
Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mơ hình xử lý mini trên cơ sở yếm khí - hiếu
khí ngập nước để xử lý nước và bùn thải từ các nhà vệ sinh.


3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Các phương pháp xử lý nước thải.
1.1.1. Phương pháp xử lý cơ học [5].
Phương pháp này thường là giai đoạn đầu của quá trình xử lý, dùng để
loại các tạp chất không tan (mảnh gỗ, gạc, bông, rẻ rách, giấy, vỏ đồ hộp,..) ra
khỏi nước. Xử lý cơ học gồm những quá trình mà khi nước thải đi qua q
trình đó sẽ khơng thay đổi tính chất hố học và sinh học của nó. Xử lý cơ học
nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các bước xử lý tiếp theo.
Các phương pháp cơ học thường dùng là:
- Lọc qua song chắn hoặc lưới chắn: Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục

đích của q trình là khử các tạp chất có thể gây ra sự cố trong quá trình vận
hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn.
Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho
cả hệ thống. Trong xử lý nước thải đô thị, thường dùng các song chắn để lọc
nước và dùng máy nghiền nhỏ các vật bị giữ lại. Còn trong xử lý nước thải
cơng nghiệp người ta đặt thêm lưới chắn.
- Điều hồ lưu lượng: Điều hoà lưu lượng được dùng để duy trì dịng
thải vào gần như khơng đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao
động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở
cuối dây chuyền xử lý.
- Các quá trình lắng: Quá trình lắng được sử dụng để loại các tạp chất
ở dạng huyền phù thô ra khỏi nước. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác động
của lực trọng lực. Trong hệ thống xử lý nước thải, bể lắng được phân thành:
bể lắng cát, bể lắng cấp I và bể lắng trong (lắng cấp II). Bể lắng cấp I có


4

nhiệm vụ tách các chất rắn hữu cơ (60 %) và các chất rắn khác, cịn bể lắng
cấp II có nhiệm vụ tách bùn sinh học ra khỏi nước thải.
- Quá trình lọc: Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích
thước nhỏ ra khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại được chúng. Người ta
tiến hành quá trình tách nhờ vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ pha
phân tán lại. Q trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh của
cột chất lỏng hoặc áp suất cao trước vách ngăn hay áp suất chân không sau vách
ngăn.
- Xyclon thuỷ lực và máy ly tâm: Đối với Xyclon thuỷ lực, khi chất
lỏng chuyển động quay tròn trong các Xyclon thuỷ lực, lực ly tâm tác dụng
lên các hạt rắn làm văng chúng ra thành thiết bị. Đối với máy ly tâm (lọc ly
tâm và lắng ly tâm): Lọc ly tâm thực hiện nhờ quay tròn huyền phù trong

thùng quay, chất lỏng chui qua lưới lọc hoặc vải lọc và các lỗ trên thân thùng
ra ngoài, còn những hạt rắn được giữ lại trên lưới hoặc vải lọc, chúng sẽ được
lấy ra ngoài bằng tay hoặc bằng dao cạo. Lắng ly tâm là quá trình phân riêng
huyền phù nhờ lực thể tích của pha phân tán (các hạt rắn), quá trình này gồm
các quá trình vật lý là lắng các hạt rắn (theo nguyên lý của thuỷ động lực) và
nén bã.
1.1.2. Phương pháp xử lý hoá lý [5].
Các phương pháp hoá lý để xử lý nước thải đều dựa trên cơ sở ứng
dụng các quá trình: Đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, tách
bằng màng, điện hoá,...
Phương pháp xử lý hoá lý bao gồm:
- Đông tụ và keo tụ: đây là quá trình nhằm loại bỏ các chất ở dạng keo
và hoà tan bằng cách dùng các chất keo tụ và chất trợ keo tụ để liên kết các
hạt nhỏ lại thành tập hợp các hạt lớn có thể lắng.


5

- Tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi dùng để tách các tạp chất (ở dạng
rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Quá trình
tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là khơng khí)
vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp
các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đó chúng
tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn chất
lỏng ban đầu.
- Hấp phụ: là q trình tách các chất bẩn và khí hoà tan ra khỏi nước
thải bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ).
- Trao đổi ion: trao đổi ion là quá trình trong đó các ion trên bề mặt của
chất rắn trao đổi với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với
nhau. Đây là phương pháp thu hồi các cation và anion bằng các chất trao đổi

ion.
- Các quá trình tách bằng màng: Dùng các màng xốp đặc biệt không
cho các hạt keo đi qua (tách các chất ra khỏi nước thải).
- Các phương pháp điện hoá: người ta sử dụng các q trình ơ xy hố
cực anot và khử của catot, đông tụ điện,... để làm sạch nước thải khỏi các tạp
chất hoà tan và phân tán. Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực
khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải.
1.1.3. Phương pháp hoá học [5].
Các phương pháp hoá học trong xử lý nước thải gồm có: trung hồ, ơ
xy hoá - khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hoá học.
Người ta sử dụng phương pháp này để khử các chất hoà tan trong các hệ
thống cấp nước khép kín.


6

- Phương pháp trung hoà: đây là phương pháp dùng để trung hồ nước
thải khi nước thải có tính axít hoặc kiềm.
- Phương pháp ơ xy hố- khử: Q trình ơ xy hố nhằm loại các chất
độc hại có trong nước thải, trong q trình ơ xy hố, các chất độc hại trong
nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải.
Quá trình khử được dùng để tách các hợp chất như thuỷ ngân, asen, crôm,... ra
khỏi nước thải.
1.1.4. Phương pháp sinh học [7].
Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để
phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử
dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo
năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để
xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng
lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy

hố sinh hố.
Người ta có thể phân loại các phương pháp sinh học dựa trên các cơ sở
khác nhau. Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau:
- Phương pháp hiếu khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật
hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp ô xy liên tục và
duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 - 400C.
- Phương pháp yếm khí: là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật
yếm khí.


7

1.2.Thành phần vi sinh trong nước thải.
1.2.1. Vi khuẩn (Bacteria)
Vi khuẩn đóng vai trị quan trọng đầu tiên trong viêc phân huỷ chất hữu
cơ, nó là cơ thể sống đơn bào, có khả năng phát triển và tăng trưởng trong các
bơng cặn lơ lửng hoặc dính bám vào bề mặt vật cứng. Có rất nhiều loại vi
khuẩn khơng thể chỉ tên và mô tả hết được, loại rễ nhận biết nhất là vi khuẩn
Coli phân [3].
Vi khuẩn có khả năng sinh sản rất nhanh, khi tiếp xúc với chất dinh
dưỡng có trong nước thải, chúng hấp thụ nhanh thức ăn qua thành tế bào.
Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm hai nhóm chính:
- Vi khuẩn dị dưỡng (heterophe): nhóm vi khuẩn này sử dụng các chất
hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động
sống, xây dựng tế bào, phát triển,...Có ba loại vi khuẩn dị dưỡng [10]:
+ Vi khuẩn hiếu khí (aerobe): cần ơ xy để sống, như q trình hơ hấp ở
động vật bậc cao. Oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơ theo
phản ứng:

chất hữu cơ + O2

Tăng sinh khối

vi khuẩn hiếu khí

CO2 + H2O + năng lượng

+ Vi khuẩn kị khí (anaerobe): chúng có thể sống và hoạt động ở điều
kiện kị khí (khơng cần oxy của khơng khí), mà sử dụng oxy trong những hợp
chất nitrat, sulphat để oxy hoá các chất hữu cơ.
Chất hữu cơ + NO3- → CO2 + N2 + năng lượng
Chất hữu cơ + SO42- → CO2 + H2S + năng lượng


8

axít hữu cơ + CO2 + H2O + năng lượng
Chất hữu cơ
CH4 + CO2 + năng lượng
+ Vi khuẩn tuỳ nghi (facultative): loại này có thể sống trong điều kiện
có hoặc khơng có oxy tự do. Chúng ln có mặt trong nước thải. Năng lượng
được giải phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế
bào mới, một phần thoát ra ở dạng nhiệt.
- Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): loại vi khuẩn này có khả năng oxy
hố chất vơ cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá
trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hố, vi khuẩn sắt, vi
khuẩn lưu huỳnh,...Các phản ứng oxy hoá như sau:
+ Ở Nitrosomonas: 2NH4+ + O2 → 2NO2- + 4H+ + 2H2O + năng lượng
+ Ở Nitrobacter: 2NO2- + O2 → 2NO3- + năng lượng
+ Các vi khuẩn sắt oxy hoá sắt tan trong nước thành sắt không tan.

Fe2+ (tan) + O2 → Fe3+ (không tan) + năng lượng
+ Các vi khuẩn lưu huỳnh có khả năng chịu được pH thấp, oxy hố H2S
thành axít sunfuric (H2SO4) gây ăn mịn đường ống, các cơng trình xây dựng
ngập trong nước.

1.2.2. Nấm (Fungi)
Là một loại vi sinh, phần lớn là dạng lông tơ (filamentous) hồn tồn
khác với các dạng của vi khuẩn, nói chung vi sinh dạng nấm có kích thước
lớn hơn vi khuẩn và khơng có vai trị trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các
chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải.


9

Vì có kích thước lớn, tỷ trọng nhẹ vi sinh dạng nấm nếu phát triển
mạnh mẽ sẽ kết thành lưới nổi lên mặt nước gây cản trở quá trình lắng ở bể
lắng đợt 2. Một số loại nấm gây bệnh về da có thể có trong nước thải [3].
1.2.3. Tế bào nguyên sinh (Protozoa) [3].
Là một loài động vật được đặc trưng bằng một vài giai đoạn hoạt động
trong quá trình sống của nó, ngun sinh động vật là một phần trong tổng số
các loại vi sinh có trong nước thải. Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là
vi khuẩn cho nên chúng là chất chỉ thị quan trọng chỉ hiệu quả xử lý của các
cơng trình xử lý nước thải.
Amíp: là một nguyên sinh động vật gây bệnh kiết lỵ rất khó tiêu diệt
bằng quy trình tiệt trùng thông thường vẫn dùng trong các nhà máy xử lý
nước thải.
Tảo (algae): là một loại thảo mộc sống dưới nước cần có năng lượng
ánh sáng mặt trời để phát triển. Tảo thường đóng vai trị quan trọng trong việc
cung cấp oxy cho hồ xử lý ổn định nước thải thông qua q trình quang hợp.
Ngồi thành phần vi sinh đã nêu trên, nước thải cịn có nhiều loại cơn

trùng, có thể nhìn thấy bằng mắt thường, cũng có tác dụng phân huỷ chất hữu
cơ như giun sán và sâu bọ ở nhiều giai đoạn phát triển của chúng.
1.3. Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước [10].
Các sinh vật gây bệnh cho người và động vật, thực vật gồm có vi
khuẩn, các lồi nấm, virút, động vật ngun sinh, giun, sán, nhưng chủ yếu là
vi khuẩn và virút. Ta thường xếp chung thành một nhóm và gọi là nhóm sinh
vật gây bệnh. Những tác nhân gây bệnh cho người và động vật qua đường
thường là các vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Đặc điểm của các vi sinh vật


10

gây bệnh đường ruột là sống ký sinh với tế bào vật chủ, phá vỡ tế bào vật chủ
hoặc tiết ra các độc tố làm chết vật chủ.
- Vi khuẩn: Những vi khuẩn đường ruột hay gặp trong nước là vi khuẩn
tả Vibrio cholera, vi khuẩn lị Disenteriae - Shigella, vi khuẩn thương hàn và
phó thương hàn Samonella typhos và S.paratyphos,…cũng như trực khuẩn
đường ruột Escherchia.
- Virút: là tác nhân gây bệng cực nhỏ, chỉ nhìn thấy dưới kính hiển vi
điện tử và nó có thể chỉ sinh trưởng trong tế bào sống. Một virút được cấu tạo
bằng sự liên kết một axit nucleic và một protein, nó có khả năng tách ra một
cách hoá học và ngay cả tinh thể hố. Hợp chất cả hai có thể sinh ra virút với
tất cả tính chất sinh học. Khi một tế bào sống bị tấn cơng bằng một virut, nó
tự biến đổi nhanh chóng với tính hồn thiện của nó thành một quần thể hạt với
các virut mới sẵn sàng nhiễm bệnh sang tế bào mới.
- Các loại vi nấm: Histoplasma sulatim là tác nhân gây bệnh
Histoplasma. Trừ những nghiên cứu đặc biệt , người ta chưa biết dịch bệnh có
nguồn gốc từ nước do nấm gây ra.
- Amíp: chúng có thể sinh sống hơn một tháng trong nước dưới dạng u
nang. Tuy nhiên, chúng dễ dàng bị loại bỏ bằng xử lý ôzôn với lượng dư 0,4

mg/l sau 4 phút tiếp xúc. Hai loài vận chuyển theo nước gây bệnh cho người
là: Entameba histoytica, tác nhân gây bệnh lị nghiêm trọng, đôi khi chết
người. Negleriagruberi tác nhân gây viêm màng não truyền thống bằng đường
nước, nhất là trong các bể bơi.
- Động vật nguyên sinh: Giardia lambia là tác nhân gây bệnh viêm dạ
dày-ruột non từ nước cho nhiều người. Sự chống đỡ lại thuốc khử trùng rất
cao, nhất là dưới dạng kết nang. Chúng được loại trừ dễ dàng bằng xử lý kết
bông với liều lượng chất phản ứng tối ưu, tiếp theo là lọc nhanh qua cát.


11

- Các loại giun sán: nước có thể vận chuyển nhiều giun kí sinh ở người
và động vật. Giun hoặc trứng giun không bị triệt do khử trùng ở liều lượng
thuốc thơng thường, ngược lại kích thước của chúng nói chung đủ lớn để có
thể lọc, loại bỏ nguy cơ ô nhiễm.
1.4. Quá trình biến đổi, tăng trưởng và năng lượng cần để hoạt động của
vi sinh vật.
- Quá trình biến đổi bao gồm các phản ứng hoá học bên trong tế bào, có
hai phản ứng cơ bản trong quá trình biến đổi là phản ứng đồng hố và phản
ứng dị hoá.
+ Phản ứng dị hoá: phản ứng bẻ gãy các mạch hữu cơ, phân chia các
phân tử hữu cơ phức tập thành các phân tử đơn giản hơn và kèm theo q
trình là sự giải phóng năng lượng.
+ Phản ứng đồng hố: là phản ứng làm hình hành các phân tử phức tạp
hơn và đòi hỏi cấp năng lượng. Năng lượng cấp cho phản ứng đồng hoá
thường lấy từ năng lượng được giải phóng ra của các phản ứng dị hố.
1.4.1. Vai trị quan trọng của Enzim [3].
Enzim là chất xúc tác hữu cơ do các tế bào sống sinh ra, Enzim là các
protein hoặc protein kết hợp với các phân tử vô cơ hoặc các phân tử hữu cơ có

trọng lượng thấp. Như một chất xúc tác, Enzim có khả năng làm tăng tốc độ
phản ứng hố học lên gấp nhiều lần mà bản thân Enzim không bị thay đổi.
Có hai loại Enzim: ngoại tế bào và nội tế bào. Khi tế bào cần chất nền
hay chất dinh dưỡng mà các chất này không thể tự thấm qua vỏ tế bào được
thì Enzim sẽ chuyển hố các chất này thành dạng hợp chất có thể dễ dàng
chuyển vào trong tế bào. Enzim nội tế bào là chất xúc tác cho các phản ứng
đồng hoá bên trong tế bào. Enzim được biết như là một tác nhân phân loại và


12

chuyển hoá chất nền đến sản phẩm cuối cùng với hiệu suất rất cao. Tế bào có
thể sản xuất ra các Enzim khác nhau ứng với mỗi loại chất nền khác nhau để
sử dụng chúng và có thể minh hoạ bằng phản ứng sau:
E
Enzim

+

S
Chất nền

→

(E)(S)
Tổ hợp
Enzim và
chất nền

→

P
Sản phẩm
cuối cùng

+

E
Enzim

Hoạt động của Enzim chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi trị số pH, nhiệt độ
và nồng độ chất nền, mỗi Enzim có trị số pH, nhiệt độ tối ưu của mình.
1.4.2. Vai trò của năng lượng [10].
Cùng với Enzim năng lượng cần thiết cho các phản ứng sinh hoá của tế
bào, năng lượng cấp cho tế bào là năng lượng được giải phóng ra từ các phản
ứng oxy hố các chất hữu cơ và vô cơ hoặc do các phản ứng quang hợp. Năng
lượng này được thu nhận và tích trữ trong tế bào bằng các hợp chất hữu cơ
nhất định và được dùng để tổng hợp các chất hữu cơ còn lại thành tế bào mới.
Khi chất hữu cơ trong nước thải trở lên ít dần đi thì khối lượng tế bào sẽ bị
giảm vì các chất đã được tế bào dùng không được thay thế kịp thời bằng chất
mới. Nếu tình trạng này kéo dài liên tục tế bào khơng cịn khả năng sinh sản
mà chỉ có đồng hố các chất hữu cơ đã hấp thụ được để cuối cùng còn lại các
tế bào là những chất hữu cơ tương đối ổn định. Quá trình tự giảm sinh khối
này gọi là giai đoạn hơ hấp nội bào.
1.4.3. Vai trị của chất dinh dưỡng [4].
Vi sinh vật tiêu thụ các chất hữu cơ để sống và hoạt động và đòi hỏi
một lượng chất dinh dưỡng Nitơ và phốt pho để phát triển, tỷ lệ này thường
trong khoảng BOD : N : P = 100 : 5 : 1. Ngoài ra cần một lượng nhỏ các

13

nguyên tố khoáng như canxi, magie, sắt, đồng, mangan. Các chất này có đủ
trong nước thải sinh hoạt.
1.4.4. Sự tăng trưởng của vi sinh vật [10].
Vi sinh vật có thể nảy nở thêm nhiều nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản
giới tính và nảy mầm nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi.
Thời gian cần để phân đôi tế bào thường gọi là thời gian sinh sản có thể dao
động từ dưới 20 phút đến hết hàng ngày. Vi khuẩn không thể tiếp tục sinh sản
đến vô tận bởi vì q trình sinh sản phụ thuộc vào mơi trường. Khi thức ăn
cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài trị số tối ưu, việc sinh sản sẽ ngừng lại.
1.4.5. Sự tăng trưởng của vi khuẩn về số lượng [3].

Gía trị log của số lượng vi khuẩn

Hình 1.1.Giới thiệu tổng quát quá trình phát triển theo số lượng
của vi khuẩn trong một mẻ nuôi cấy.
Giai đoạn
phát triển
chậm

Giai đoạn
tăng
trưởng
theo quy
luật logarit

Giai
đoạn
ổn định

Giai đoạn vi khuẩn chết
theo logarit

Thời gian

Hình 1.1. Đường cong biểu diễn các giai đoạn phát triển của vi khuẩn
về số lượng theo thang logarit [3. tr.58]


14

Số lượng vi khuẩn sản sinh ra có thể chia làm 4 giai đoạn khác biệt:
- Giai đoạn phát triển chậm: Giai đoạn phát triển chậm thể hiện khoảng thời
gian cần thiết để vi khuẩn làm quen với môi trường mới và bắt đầu phân đôi.
- Giai đoạn tăng trưởng về số lượng theo Logarit: Trong suốt thời kỳ
này các tế bào phân chia theo tốc độ xác định bởi thời gian sinh sản và khả
năng thu nhận và đồng hoá thức ăn.
- Giai đoạn phát triển ổn định: ở giai đoạn này số lượng vi khuẩn trong
mẻ quan sát đạt đến số lượng ổn định do vi khuẩn đã ăn hết chất nền, chất dinh
dưỡng và số vi khuẩn mới sinh ra vừa đủ bù cho số vi khuẩn già cỗi chết đi.
- Giai đoạn vi khuẩn tự chết: trong suốt giai đoạn này tốc độ tự chết của
vi khuẩn vượt xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới. Tốc độ chết là hàm số của số
lượng tế bào đang sống và đặc tính của mơi trường, ở vài trường hợp trị số
logarit của số lượng tế bào chết tương đương với trị số logarit của số lượng tế
bào sinh ra ở giai đoạn sinh trưởng nhưng có dấu ngược lại.


15

1.4.6. Sự tăng trưởng của vi sinh vật về khối lượng (sinh khối) [10].
Hình 1.2. Giới thiệu tổng quát quá trình phát triển của
vi sinh vật theo khối lượng.
Gía trị log của số lượng vi csinh vật

Giai đoạn
tăng sinh
khối chậm

Giai đoạn
tăng sinh
khối theo
logarit

Giai
đoạn
tăng
chậm
dần

Giai đoạn hơ hấp nội bào

Thời gian

Hình 1.2. Đường cong biểu diễn các giai đoạn tăng sinh khối của vi sinh vật
trong mẻ nuôi cấy theo thang logarit [3.tr.59]
Sự tăng sinh khối của vi sinh vật được chia làm 4 giai đoạn:
- Giai đoạn tăng sinh khối chậm: là giai đoạn vi khuẩn cần thời gian để
thích nghi với môi trường dinh dưỡng. Giai đoạn tăng sinh khối chậm không
dài bằng giai đoạn phát triển chậm của số lượng vi khuẩn bởi vì sinh khối bắt

đầu tăng ngay trước khi sự phân chia tế bào xảy ra (tế bào lớn lên rồi mới
phân đôi).
- Giai đoạn tăng sinh khối theo logarit: giai đoạn này ln có thừa thức
ăn bao quanh vi khuẩn và tốc độ trao đổi chất và tăng trưởng của vi khuẩn chỉ
phụ thuộc vào khả năng xử lý chất nền của vi khuẩn.


16

- Giai đoạn tăng trưởng chậm dần: tốc độ tăng sinh khối giảm dần đi
bởi vì sự cạn kiệt dần của các chất dinh dưỡng bao quanh.
- Giai đoạn hô hấp nội bào: Vi khuẩn buộc phải thực hiện quá trình trao
đổi chất bằng chính các ngun sinh chất có trong tế bào bởi vì nồng độ các
chất dinh dưỡng cấp cho tế bào đã bị cạn kiệt. Trong giai đoạn này xảy ra
hiện tượng giảm dần sinh khối khi đó các chất dinh dưỡng cịn lại trong các tế
bào đã chết khuyếch tán ra ngoài để cấp cho các tế bào cịn sống.
1.4.7. Sự tăng trưởng trong mơi trường hỗn hợp [3].
Phần lớn q trình xử lý sinh hố xảy ra trong môi trường hỗn hợp gồm
nhiều chủng loại vi sinh tác động lên mơi trường và có tác động tương hỗ với
nhau. Mỗi loại vi khuẩn có đường cong sinh trưởng và phát triển riêng, vị trí
và dạng của đường cong tăng trưởng theo thời gian của mỗi loại trong hệ phụ
thuộc vào thức ăn và chất dinh dưỡng có sẵn và vào các đặc tính của mơi
trường như pH, nhiệt độ, điều kiện yếm khí hay hiếu khí,…có nhiều loại vi
khuẩn đóng vai trị quan trọng trong q trình ổn định các chất hữu cơ có
trong nước thải.
1.5. Động học của quá trình xử lý sinh học [10].
Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra có hiệu quả thì phải tạo
được các điều kiện môi trường như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, thời
gian,…tốt nhất cho hệ vi sinh. Khi các điều kiện trên được đảm bảo quá trình
xử lý diễn ra như sau:

Tăng trưởng tế bào: ở cả hai trường hợp nuôi cấy theo từng mẻ hay ni
cấy trong các bể có dòng chảy liên tục, nước thải trong các bể này phải được
khuấy trộn một cách hoàn chỉnh và liên tục. Tốc độ tăng trưởng của các tế bào
vi sinh có thể biểu diễn bằng công thức sau:


17

r1 = . X (g/m3.s)

(1.1)

trong đó:
r1: Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, g/m3.s
: Tốc độ tăng trưởng riêng, 1/s
X: Nồng độ vi sinh trong bể hay nồng độ bùn hoạt tính, g/m3 = mg/l
Cơng thức (1) có thể viết dưới dạng:

r1 = dx = . X
dt

(1.2)

1.5.1. Chất nền - giới hạn của sự tăng trưởng [3].
Trong trường hợp nuôi cấy theo mẻ nếu chất nền và chất dinh dưỡng cần
thiết cho sự tăng trưởng chỉ có với số lượng hạn chế thì các chất này sẽ được
dùng đến cạn kiệt và quá trình sinh trưởng ngừng lại. Ở trường hợp ni cấy
trong bể có dịng cấp chất nền và chất dinh dưỡng có thể biểu diễn bằng
phương trình do Monod đề xuất (1942, 1949).
 = m

S
Ks +S

(1.3)

trong đó:
: Tốc độ tăng trưởng riêng, 1/s
m: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại, 1/s
S: Nồng độ chất nền trong nước thải ở thời điểm sự tăng trưởng bị hạn chế.
Ks: Hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền ở thời
điểm tốc độ tăng trưởng bằng một nửa tốc độ cực đại (g/m3; mg/l)


18

Ảnh hưởng của nồng độ chất nền đến tốc độ tăng trưởng riêng thể hiện trên
hình 1.3.

Tốc độ tăng trưởng riêng 

m

Tốc độ cực đại

m/2

Nồng độ chất nền (S)

Hình 1.3. Ảnh hưởng của sự hạn chế nồng độ chất nền đến

tốc độ tăng trưởng riêng [3. tr.61]
Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1) ta có:
r1 =

 mXS
Ks +S

(1.4)

1.5.2. Sự tăng trưởng tế bào và sử dụng chất nền [10].
Trong cả hai trường hợp nuôi cấy theo mẻ và nuôi cấy trong bể có dịng
chảy liên tục, một phần chất nền được chuyển thành các tế bào mới, một phần
được oxy hố thành chất vơ cơ và hữu cơ ổn định. Bởi vì số tế bào mới được
sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập mối quan hệ
giữa tốc độ tăng trưởng và lượng chất nền được sử dụng theo phương trình
sau:


19

r1 = - Yrd

(1.5)

trong đó:
r1: Tốc độ tăng trưởng của tế bào, g/m3.s
Y: Hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg/mg) (Là tỷ số giữa khối
lượng tế bào và khối lượng chất nền được tiêu thụ đo trong một thời gian nhất
định ở giai đoạn tăng trưởng Logarit).
rd: Tốc độ sử dụng chất nền, g/m3.s

Từ phương trình (1.4) và (1.5) ta rút ra:
rd =

 

= KXS ;  K = m 
Y (K s + S )
Ks +S 
Y 
 m XS

(1.6)

1.5.3. Ảnh hưởng của hô hấp nội bào [3].
Trong các cơng trình xử lý nước thải không phải tất cả các tế bào vi sinh
vật đều có tuổi như nhau và đều ở trong giai đoạn sinh trưởng Logarit mà có
một số đang ở giai đoạn chết và giai đoạn sinh trưởng chậm. Khi tính tốn tốc
độ tăng trưởng của tế bào phải tính tốn tổ hợp các hiện tượng này, để tính
tốn giả thiết rằng: sự giảm khối lượng của các tế bào do chết và tăng trưởng
chậm tỷ lệ với nồng độ vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối
lượng này là do phân huỷ nội bào. Q trình hơ hấp nội bào có thể biểu diễn
đơn giản bằng phản ứng sau:
Vi khuẩn

C5H7O2N + 5O2

→
Tế bào

113

160

1

1,42

5CO2 + 2H2O + NH3 + năng lượng

(1.7)


20

Từ phương trình (1.7) có thể thấy: nếu tất cả tế bào bị oxy hố hồn tồn
thì lượng COD của các tế bào bằng 1,42 lần nồng độ của tế bào.
rd(do phân huỷ nội bào) = - Kd.X

(1.8)

trong đó:
Kd: Hệ số phân huỷ nội bào, 1/s
X: Nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính), g/m3
Kết hợp với q trình phân huỷ nội bào, tốc độ tăng trưởng thực tế của tế
bào:
r1 ' =

 m XS





K s +S 

- KdX

Hay: r1' = - Yrd - KdX

(1.9)
(1.10)

trong đó:
r1': Tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn, 1/s.
Tốc độ tăng trưởng riêng thực sẽ là:
 ' = m

S -K
d
Ks +S

(1.11)

Tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) sẽ là:
r1'
yb =
rd

1.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ [8].
Nhiệt độ nước có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của phản ứng sinh hoá
trong quá trình xử lý nước thải. Nhiệt độ khơng chỉ ảnh hưởng đến hoạt động

chuyển hoá của vi sinh vật mà cịn có tác động lớn đến q trình hấp thụ khí
oxy vào nước thải và q trình lắng các bơng cặn vi sinh vật ở bể lắng đợt 2.


21

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hố trong q trình xử lý
nước thải được biểu diễn bằng cơng thức:
rt = r20  (T −20)
trong đó:

(1.12)

rt: Tốc độ phản ứng ở T0C
r20: Tốc độ phản ứng ở 200C
 : Hệ số hoạt động do nhiệt độ

T: Nhiệt độ nước đo bằng 0C
Giá trị  trong quá trình xử lý sinh học dao động từ 1,02 - 1,09 thường
lấy 1,04.
1.5.5. Các công thức biểu diễn tốc độ sử dụng chất nền (tốc độ khử BOD)
[3].
Trong mô tả đọng học của quá trình xử lý nước thải bằng sinh học rút ra
được công thức biểu diễn tốc đội xử lý chất nền bằng khối lượng chất nền
giảm đi ở một đơn vị thể tích bể trong một đơn vị thời gian (g/m3.s)
rd =
đặt K =

 max
Y

 max XS

Y (K s + S )

; rd =

KXS , ta có  = rd = KXS
(K s + S )
(K s + S )
X

(1.13)

là tốc độ sử dụng chất nền tính cho một đơn vị khối lượng (g) bùn hoạt
tính trong một đơn vị thời gian.
1.6. Mô tả các phương pháp xử lý bằng sinh học [8].
Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử lý nước thải chứa chất hữu
cơ là phương pháp sinh học. Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân
huỷ các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành hai loại chính: Các