Nghiên cứu ứng dụng của tảo spirulina platensis xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.77 MB, 88 trang )
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
LỜI CẢM ƠN
Đi suốt chặng đường dài bốn năm Đại học ngồi trên ghế nhà trường em đã trải
qua biết bao nhiêu cảm xúc của một thời sinh viên, đây đã là giai đoạn cuối em còn
được bên cạnh thầy cô và bạn bè. Ngẫm lại em thấy mình đã trưởng thành hơn rất
nhiều, có lẽ em đã thấm thía những lời dạy bảo nghiêm khắc mà ngọt ngào, chan
chứa tình yêu thương của thầy cô. Lời tri ân của em muốn gửi tới các thầy giáo, cô
giáo bao nhiêu ngòi bút nét mực có thể chứa đủ đây! Sau khi kết thúc thời gian 14
tuần thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng của tảo
Spirulina platensis xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng”, em cảm
thấy mình đã trải nghiệm được nhiều điều quý báu, nhất là kỹ năng thực hiện các
thao tác trong thực nghiệm và cách vận dụng kiến thức vào thực tiễn, có cơ hội học
hỏi kinh nghiệm, phương pháp luận của các thầy cô giáo và cách tập trung làm việc
hiệu quả từ bạn bè. Và hơn thế, đồ án tốt nghiệp không chỉ có ý nghĩa đánh dấu mốc
quan trọng trong cuộc đời sinh viên mà còn là cơ hội giúp em rõ hơn về lĩnh vực
môi trường mà em đã, đang và sẽ theo đuổi.
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo Ths.
Trần Minh Dũng và thầy giáo Nguyễn Thế Hùng đã chỉ bảo tận tình, trực tiếp
hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện đồ án. Thầy giáo đã giúp
em bổ sung các khía cạnh, yếu tố, nội dung còn thiếu và khắc phục những sai sót
trong quá trình tiến hành thí nghiệm cũng như quá trình viết bài.
Xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn hóa – Phòng thí nghiệm
hóa đã tạo điều kiện cho em thực hiện tốt các thí nghiệm phục vụ cho đồ án của
mình.
Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa môi trường đã giảng dạy đầy
tâm huyết và luôn hết sức tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên tiếp thu và lĩnh hội
đầy đủ kiến thức trong quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ án.
Cuối cùng, em bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới sự cổ vũ, khuyến khích, động viên
của gia đình, những người thân và những người bạn, họ cũng đã luôn sát cánh cùng
em trong suốt thời gian học tập và dành cho em những tình cảm tuyệt vời trong quá
trình thực hiện đồ án này.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
Do kiến thức và thời gian còn hạn hẹp nên bản thân em cùng với đồ án vẫn còn
có những sai sót, vướng mắc. Rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý kiến và chỉ
bảo!
Hà Nội, ngày…tháng…năm 2014
Sinh viên
Phan Thị Hoài Cẩm
DANH MỤC BẢNG
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
DANH MỤC ĐỒ THỊ
DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1: Tảo Spirulina platensis nhiều vòng xoắn..............................................22
Hình 2-2: Tảo Spirulina platensis ít vòng xoắn.....................................................22
Hình 3-1: Máy sủi khí...............................................................................................35
Hình 3-2: Ống dẫn khí và củ sục khí.......................................................................35
Hình 3-3: Kính hiển vi quang học............................................................................36
Hình 3-4: Buồng đếm hồng cầu................................................................................36
Hình 3-5: Thiết bị lọc sử dụng hút chân không......................................................36
Hình
3-6:
Cấu
tạo
thiết
bị
lọc...................................................................................36
Hình 3-7: Giấy lọc vi sinh vật kích thước > 47mm................................................36
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
Hình 3-8: Thiết bị Troll 9500...................................................................................37
Hình 3-9: Mô hình thí nghiệm..................................................................................37
Hình 3-10: Máy HACH DR5000..............................................................................37
Hình 3-11: Cuvet thể tích 10ml................................................................................37
Hình 3-12: Thuốc thử Nitra Ver 5............................................................................39
Hình 3-13: Thuốc thử Nitra Ver 3............................................................................39
Hình 3-14: Các hóa chất pha hỗn hợp thuốc thử xác định hàm lượng P...............40
Hình 3-15: Thuốc thử Ferrover Iron........................................................................40
Hình 3-16: Hoá chất phân tích COD.......................................................................40
Hình 3-17: Thiết bị Troll 9500.................................................................................41
Hình 3-18: Ống phân tích COD...............................................................................42
Hình 3-19: Chuẩn độ mẫu........................................................................................43
Hình
3-20:
Buồng
đếm
hồng
cầu..............................................................................43
Hình 3-21: Cấu tạo buồng đếm................................................................................44
Hình 3-22: Quy tắc đếm vi sinh vật trên lưới...........................................................44
Hình 3-23: Cách nhỏ dung dịch chứa tảo vào phòng đếm.......................................45
Hình 3-24: Quan sát tảo dưới kính hiển vi quang học.............................................45
Hình 3-25: Hình dạng tảo thu được dưới kính hiển vi.............................................45
Hình 3-26: Thiết bị lọc sử dụng hút chân không......................................................46
Hình 3-27: Giấy lọc vi tảo kích thước 47mm trở lên...............................................46
Hình 3-28: Tủ sấy tảo...............................................................................................46
Hình 3-29: Cân 4 số cân tảo....................................................................................46
Hình 3-30: Giấy lọc sau sấy (chưa có tảo)..............................................................47
Hình 3-31: Sấy giấy lọc tảo.....................................................................................47
Hình 3-32: Cân giấy lọc sau sấy.............................................................................47
Hình 3-33: Cốc đong chứa 10ml tảo (có đánh số)..................................................47
Hình 3-34: Lọc tảo...................................................................................................48
Hình 3-35: Đĩa petri đựng giấy lọc tảo sau lọc.......................................................48
Hình 3-36: Hút ẩm giấy lọc tảo trước khi cân.........................................................48
Hình 3-37: Tảo giống Spirulina platensis thuần chủng...........................................53
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
Hình 3-38: Tảo giống và môi trường SOT nuôi cấy tảo..........................................53
Hình 3-39: Lấy mẫu nước thải.................................................................................55
Hình 3-40: Sục mẫu nước thải làm bay hơi khí clo..................................................56
Hình 3-41: Nuôi cấy và nhân giống tảo trong phòng thí nghiệm kỹ thuật môi
trường
(Bể
1).........................................................................................................................60
Hình 3-42: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng gấp 5-10 lần cho phép trước xử lý
(Bể 2 và 3..................................................................................................................61
Hình 3-43: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng gấp 5-10 lần cho phép sau xử lý
(Bể 2 và 3).................................................................................................................61
Hình 3-44: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng đậm đặc trước xử lý (bể 4).........62
Hình 3-45: Bể nước thải hàm lượng dinh dưỡng đậm đặc sau xử lý (bể 4).............62
Hình 3-46: Bể nước thải bị nhiễm sắt trước xử lý (bể 5).........................................63
Hình 3-46: Bể nước thải bị nhiễm sắt sau xử lý (bể 5) ...........................................63
MỤC LỤC
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
MỞ ĐẦU
Việt Nam đang tiến trên con đường hòa nhập vào nền kinh tế thế giới, do đó quá
trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa không ngừng phát triển, và đô thị hóa là quá
trình xảy ra tất yếu. Dân số gia tăng không ngừng nên các khu dân cư tập trung dần
được quy hoạch và hình thành. Nước thải sinh hoạt là sản phẩm từ quá trình sinh
hoạt của con người, số lượng cũng như chất lượng nước thải ngày càng có xu hướng
trái chiều nhau. Trong khi nguồn nước sinh hoạt thải ra với lưu lượng ngày càng
lớn, nhất là tại các khu vực Đô thị lớn, dòng nước thải chưa được xử lý không còn
có thể pha loãng bằng nước ao hồ, sông ngòi lại ở trong tình trạng ô nhiễm nặng nề
làm ô nhiễm cả nước mặt lẫn nước ngầm. Bên cạnh đó, tình trạng ngập nước trên
các tuyến đường, nước thải chảy tràn lan qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch…ảnh
hưởng đến cảnh quan môi trường và cuộc sống của chúng ta. Việc bảo vệ và sử
dụng hợp lý nguồn nước để cung cấp cho các hoạt động sinh hoạt và sản xuất, đáp
ứng nhu cầu hiện tại và thỏa mãn nhu cầu của tương lai có ý nghĩa hết sức to lớn.
Hiện nay, việc quản lý nước thải trong đó bao gồm nước thải sinh hoạt là một vấn
đề cấp thiết của các nhà quản lý môi trường trên thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng. Vì vậy, nhằm cải thiện môi trường và phát triển theo hướng bền vững cần có
hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt.
Với mong muốn môi trường sống và chất lượng sống ngày càng được nâng cao,
vấn đề quản lý nước thải sinh hoạt ngày càng chặt chẽ hơn phù hợp với sự phát triển
tất yếu của xã hội và cải thiện đáng kể nguồn nước đang bị suy thoái nên đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng Tảo Spirulina Platensis trong xử lý nước thải sinh hoạt giàu
chất dinh dưỡng” được thực hiện. Việc nghiên cứu tảo Spirulina platensis để xử lý
nước thải ô nhiễm hữu cơ là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải hàm lượng
nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát triển của
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
tảo. Hơn nữa tảo Spirulina platensis là một loại tảo có chu kỳ phát triển khá nhanh
nên quá trình Tảo xử lý các thông số đặc trưng trong nước thải sinh hoạt như Tổng
nito, tổng Photpho, hàm lượng COD…khá rõ rệt.
Bên cạnh đó, vi tảo Spirulina platensis không những loại bỏ hiệu quả các hợp
chất của N, P mà còn có khả năng hấp thu tốt các kim loại nặng độc hại có trong
nước thải như sắt, đồng...hiệu quả loại bỏ chúng từ 70% trở lên. Việc xử lý nước
bằng vi tảo lam Spirulina platensis vừa có hiệu quả cao, vừa giảm chi phí thực hiện
và không ảnh hưởng đến môi trường.
Phạm vi nghiên cứu
Thời gian nghiên cứu: từ ngày 01/10/2014 đến ngày 05/12/2014.
Tìm hiểu thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt để từ đó đưa ra phương
pháp xử lý hiệu quả nhất.
Nghiên cứu đặc điểm, tính chất của vi sinh vật Tảo Spirulina platensis có khả năng
xử lý nước thải.
Mục tiêu đề tài
Đồ án được thực hiện nhằm tìm hiểu mức độ xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước
thải sinh hoạt mà cụ thể là dựa vào chỉ số COD, hàm lượng N-NH 4+, N-NO2-, NNO3-, P-PO4-3 là các thông số khảo sát hiệu quả xử lý nước thải khi sử dụng Tảo
Spirulina platensis làm vi sinh vật hấp thụ các chất gây ô nhiễm trong nước thải
sinh hoạt. Bên cạnh đó, đề tài còn nghiên cứu phát triển thêm khả năng hấp thu kim
loại nặng như sắt, đồng…của vi tảo nhằm tìm ra hướng tối ưu loại bỏ các thành
phần độc hại có trong nước thải. Hơn nữa, đề tài cũng khảo sát các yếu tố môi
trường nhân giống, nuôi trồng và phát triển sinh khối tảo nhằm tạo điều kiện thuận
lợi nhất cho quá trình xử lý.
Nội dung nghiên cứu
Đồ án bao gồm các nội dung nghiên cứu chính sau:
• Tìm hiểu về nguồn gốc, thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt
• Tìm hiểu tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt: phương pháp cơ
học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học.
• Tìm hiểu các thông tin khoa học về VSV trong xử lý nước thải theo công nghệ hiếu
khí bao gồm: chủng loại VSV, quá trình sinh trưởng và phát triển, các điều kiện cần
•
thiết cho sự phát triển của chúng.
Tìm hiểu về quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp xử lý hiếu khí.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
Ngành: Kỹ thuật môi
•
Thu thập các thông tin liên quan đến loài Tảo Spirulina platensis có đặc tính phù
•
•
hợp với kỹ thuật xử lý nước thải.
Tìm hiểu về khả năng hấp thụ kim loại nặng của vi tảo.
Xây dựng mô hình thí nghiệm: vật liệu, kích thước, chi tiết cấu tạo mô hình, trang
thiết bị, hóa chất và các thành phần bổ sung quan trọng sử dụng cho quá trình nhân
•
•
giống, nuôi trồng và phát triển sinh khối tảo trong bể chứa nước thải sinh hoạt.
Các bước tiến hành thí nghiệm, ghi nhận các thông số khảo sát.
Thống kê kết quả, tính toán hiệu suất xử lý và nhận xét hiệu quả, khả năng xử lý
nước thải sinh hoạt bằng Tảo Spirulina platensis.
• Kết luận và đưa ra quan điểm về đồ án.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp luận
Thành phần chính của nước thải sinh hoạt chứa một lượng lớn các chất hữu cơ dễ
bị phân hủy (hydracacbon, protein, chất béo, chất tẩy rửa…), các chất vô cơ dinh
dưỡng (photphat, nito) cùng với vi khuẩn (có thể cả VSV gây bệnh), trứng giun,
sán.v.v…
Nếu không được xử lý trước khi thải bỏ thì khả năng gây ô nhiễm môi trường là
không thể tránh khỏi.
Phương pháp cụ thể
Đề tài đã sử dụng các phương pháp sau:
•
Phương pháp thực tế: Thu thập, xử lý và tổng hợp các tài liệu cần thiết có liên quan
đến đề tài.
• Phương pháp kế thừa: Trong quá trình thực hiện đã tham khảo có liên quan đã thực
hiện.
• Phương pháp khảo sát: Tính chất, thành phần nước thải, đặc điểm lý, hóa sinh của
nước thải đầu vào.
• Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng phòng thí nghiệm, vận hành mô hình để
xử lý nước thải.
• Phương pháp phân tích : Các thông số được phân tích theo phương pháp chuẩn
(APHA, AWWA, TCVN 2008 và Standard Methods). Các thông số đo và phương
pháp phân tích được trình bày trong bảng sau.
Bảng 1: Các thông số và phương pháp phân tích
Thông số
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Phương pháp phân tích
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
trường
pH
COD
Nitrit (N-NO2)
Nitrat (N-NO3)
NH4+
Photphat (P-PO43-)
Sắt
•
Ngành: Kỹ thuật môi
Dùng thiết bị Troll 9500 kiểm tra
Phương pháp đun kín (K2Cr2O7
Closed flux)
Phương pháp đo nhanh - thuốc thử
Nitri Ver 3
Phương pháp đo nhanh - thuốc thử
Nitri Ver 5
Phương pháp đo nhanh – thuốc thử
Mineral Stabilizer, Polyvinyl Alcohol,
Nessler
Phương pháp tìm nồng độ bằng xây
dựng đường chuẩn
Phương pháp đo nhanh - thuốc thử
Ferrover Iron
Phương pháp xử lý số liệu
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Đề tài góp phần vào việc tìm hiểu quy trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng
phương pháp sinh học. Từ đó góp phần vào công tác bảo vệ môi trường, cải thiện
chất lượng tài nguyên nước ngày càng trong sạch hơn.
Ý nghĩa thực tiễn
•
Đề tài sẽ được nghiên cứu và bổ sung để phát triển cho vấn đề thu gom và xử lý
nước thải.
• Hạn chế việc xả thải bừa bãi làm suy thoái và ô nhiễm tài nguyên nước.
• Ngoài nghiên cứu ứng dụng của tảo Spirulina platensis xử lý nước thải sinh hoạt
còn phát triển được các tiềm năng về mục đích sản xuất sinh khối Tảo Spirulina
platensis (nhân giống, phát triển và thu hoạch sinh khối) mang lại lợi ích kinh tế.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 10
Ngành: Kỹ thuật môi trường
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT VÀ CÁC
PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.1 Nước thải sinh hoạt
1.1.1
Nguồn gốc
Nước thải sinh hoạt (NTSH) phát sinh từ các hoạt động sống hàng ngày của con
người như tắm rửa, bài tiết, chế biến thức ăn…ở Việt Nam lượng nước thải này
trung bình khoảng 120 – 260 lít/người/ngày. NTSH được thu gom từ các căn hộ, cơ
quan, trường học, bệnh viện, khu dân cư, cơ sở kinh doanh, chợ, các công trình
công cộng khác và ngay chính trong các cơ sở sản xuất. NTSH ở các trung tâm đô
thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại
thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được
tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc bằng biện pháp tự thấm.
Khối lượng nước thải của một cộng đồng dân cư phụ thuộc vào:
-
Quy mô dân số
Tiêu chuẩn cấp nước
Khả năng và đặc điểm của hệ thống thoát nước
Loại hình sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải xám và nước thải đen. Nước thải xám bao
gồm nước giặt giũ quần áo, tắm rửa và nước sử dụng trong nhà bếp. Nước từ trong
nhà bếp có thể chứa lượng lớn chất rắn và dầu mỡ. Nước thải đen chứa hàm lượng
cao các chất hữu cơ và dinh dưỡng (Nito, photpho) – nguồn thức ăn tốt cho sự phát
triển của vi sinh vật. Nước thải đen có thể được tách thành hai phần: phân và nước
tiểu. Mỗi người hàng năm có thể thải ra trung bình 4 kg N; 0,4 kg P trong nước tiểu
và 0,55 kg N; 0,18 kg P trong phân.
Đặc tính chung của NTSH thường bị ô nhiễm bởi các chất cặn bã hữu cơ, các
chất hữu cơ hòa tan (thông qua các chỉ tiêu BOD 5, COD), các chất dinh dưỡng (nitơ
photpho), các vi trùng gây bệnh (Ecoli, coliform…). Ngoài ra nước thải sinh hoạt
còn chứa các kim loại nặng, các chất hữu cơ khó phân hủy, độc hại. Người ta có thể
sử dụng một loại vi khuẩn đặc biệt như trực khuẩn Ecoli để đánh giá độ ô nhiễm
sinh học của nước thải.
Mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào:
-Lưu lượng nước thải
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Trang 11
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Ngành: Kỹ thuật môi trường
-Tải trọng chất bẩn tính theo đầu người
Mà tải trọng chất bẩn tính theo đầu người phụ thuộc vào:
1.1.2
Mức sống, điều kiện sống và tập quán sống
Điều kiện khí hậu
Thành phần tính chất của nước thải
Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt được thể hiện như sau:
Bảng 1- 2: Thành phần đặc trưng trong nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý [13]
Nồng độ
Các chỉ tiêu
Đơn vị
Trung
Nhẹ
bình
QCVN 14 :
Nặng
2008/ BTNMT
(cột B)
BOD5
mg/L
100
200
300
50
COD
mg/L
250
400
1000
-
TSS
mg/L
100
200
350
100
N – NO3-
mg/L
20
40
80
50
P – PO43-
mg/L
10
15
25
10
TOC
mg/L
100
200
300
-
Mức độ cần thiết xử lý nước thải phụ thuộc:
-
Nồng độ bẩn của nước thải
Khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp cận
Yêu cầu về mặt vệ sinh môi trường
Để lựa chọn công nghệ xử lý và tính toán thiết kế các công trình đơn xử lý nước
thải trước tiên cần phải biết thành phần tính chất của nước thải.
Thành phần tính chất của nước thải chia làm hai nhóm chính: thành phần vật lý
và thành phần hóa học.
Thành phần vật lý: Biểu thị dạng các chất bẩn có trong nước thải ở các kích thước
khác nhau được chia thành ba nhóm.
Nhóm 1: Gồm các chất không tan chứa trong nước thải dạng thô (vải, giấy, lá
cây, cát, da, lông…) ở dạng lơ lửng (δ > 10 -1mm) và ở dạng huyền phù, nhũ
tương (δ = 10-1 – 10-4 mm)
Nhóm 2: Gồm các chất bẩn ở dạng keo (δ = 10-4 – 10-6 mm)
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 12
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Nhóm 3: Gồm các chất bẩn ở dạng hòa tan có δ < 10 -6mm, chúng có thể ở
dạng ion hay phân tử.
Thành phần hóa học: Biểu thị dạng các chất bẩn trong nước thải có các tính chất
hóa học khác nhau, được chia làm ba nhóm:
Thành phần vô cơ: cát, sét, xỉ, axit vô cơ, các ion muối phân ly…(chiếm
khoảng 42% đối với NTSH)
Thành phần hữu cơ: các chất có nguồn gốc từ động vật, thực vật cặn bã bài
tiết…(chiếm khoảng 58%).
+ Các hợp chất chứa nito
+ Các hợp chất nhóm hydrocacbon: mỡ, xà phòng, cellulose…
+ Các hợp chất có chứa photpho, lưu huỳnh
Thành phần sinh học: nấm men, nấm mốc, tảo, vi khuẩn…
Bảng 1-3 thể hiện thành phần tương đối của NTSH trước và sau xử lý. BOD và chất
rắn lơ lửng là hai thông số quan trọng nhất được sử dụng để xác định đặc tính của
NTSH. Qúa trình xử lý lắng đọng ban đầu có thể giảm được khoảng 50% chất rắn
lơ lửng và 35% BOD.
Bảng 1- 3: Thành phần tương đối của nước thải sinh hoạt bình thường [29]
Thành p
Tổng ch
Chất rắn
Chất
chất rắn lơ lử
A
T
Photp
Tổn
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 13
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Chất hữu cơ trong NTSH đặc trưng có thể phân hủy sinh học có thành phần 50%
hydrocacbon, 40% protein và 10% chất béo. Độ pH dao động trong khoảng 6,5- 8,0
trong nước thải có khoảng 20% - 40% vật chất hữu cơ không phân hủy sinh học
[17].
1.1.3
Tác hại đến môi trường
Các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra các tác động tới môi
trường đáng lo ngại. Dựa vào đặc điểm dễ hay khó bị phân hủy bởi VSV có trong
nước thải mà các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải có thể được chia làm hai
loại:
•
Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ dễ bị phân hủy
gồm các chất protein, cacbonhydrat, các chất béo có nguồn gốc động và thực vật.
Trong thành phần các chất hữu cơ từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40-60%
protein, 25-50% cacbonhydrat, 10% chất béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy
giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm
chất lượng nước cấp sinh hoạt. Trong thực tế, người ta thường áp dụng các biện
pháp sinh học để xử lý nước thải bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh
•
học.
Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bị phân hủy
sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm (cacbuahydro của dầu
khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ. Trong
đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính cao đối với con người
và động thực vật. Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.10 6 tấn các chất hữu cơ
tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới như các chất màu, chất
hóa dẻo, thuốc trừ sâu…Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học
khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môi trường và cơ thể
sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Thành phần
này tồn tại trong nước thải sinh hoạt không cao.
Cụ thể về tác động của các chất gây ô nhiễm nước thải sinh hoạt tới môi trường
như sau:
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
-
Trang 14
Ngành: Kỹ thuật môi trường
COD, BOD: Sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây
thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến hệ sinh thái môi trường nước. Nếu ô
nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong quá trình phân hủy yếm
khí sinh ra các sản phẩm như H 2S, NH3, CH4…làm cho nước có mùi hôi thối và làm
-
giảm pH của môi trường.
SS: Lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí.
Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởng đến đời sống
-
của thủy sinh vật.
Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ
-
độc thức ăn, vàng da…
Ammonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng. Nếu nồng độ trong
nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa (sự phát triển bùng phát của các
loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt
vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô
hấp của tảo thải ra).
- Màu: mất mỹ quan.
- Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.
1.1.3.1 Tác hại của Nitơ trong nước thải
a) Đối với sức khỏe cộng đồng: Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nên hiệu ứng về
môi trường. Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu
đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Khi trong nước thải có nhiều Amoniac có
thể gây độc cho cá và hệ động vật thủy sinh, làm giảm lượng oxi hòa tan trong
nước. Khi hàm lượng nitơ trong nước cao cộng them hàm lượng photpho có thể gây
phú dưỡng nguồn tiếp nhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng oxi
hòa tan trong nước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.
Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nito đi vào trong chuỗi thức
ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm. Nitrat tạo chứng
thiếu vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thành các nitrosamine là nguyên
nhân gây ung thư ở người cao tuổi. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào
sữa mẹ, hoặc qua nước dung để pha sữa. Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành
nitrit nhờ vi khuẩn đường ruột. Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe
con người chúng có thể tạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư. Trong cơ thể
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 15
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Nitrit có thể oxy hóa sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng oxy
trong máy có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong.
b) Đối với môi trường: Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm
lượng chất dinh dưỡng. Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực
vật phù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức ăn,
giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực, sản sinh nhiều
chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4…tiêu diệt nhiều loại sinh vật có ích
trong nước. Hiện tượng đó gọi là phú dưỡng nguồn nước.
Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các song và kênh dẫn nước
thải. Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lữ, sông Tô Lịch đều có màu
xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H 2S. Hiện tượng này tác động tiêu
cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái của nước hồ,
tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khu dân cư.
Sự có mặt của nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảm hiệu quả
làm việc của các công trình. Mặt khác nó có thể kết hợp với các loại hóa chất trong
xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người.
1.1.3.2 Tác hại của photpho
Photpho trong nước thải chủ yếu có từ nguồn gốc: phân người, nước tiểu, đồ
thải thức ăn, chất tẩy rửa tổng hợp, chất thải từ sản xuất công nghiệp, chất chống ăn
mòn trong các đường ống dẫn nước.
Dư thừa photpho từ các cánh đồng và bãi cỏ ở ngoại ô các thành phố xuống
các ao, hồ, sông, suối là nguyên nhân chính để tảo phát triển, sau đó chúng đi vào
các nguồn nước và làm giảm chất lượng nước. Ô nhiễm photpho gây nguy hiểm cho
cá và các loại thủy sinh khác cũng như các loài động vật và con người, những sinh
vật sống phụ thuộc vào nguồn nước sạch. Trong một số trường hợp, dư thừa
photpho còn giúp tảo độc phát triển, gây ra mối đe dọa trực tiếp đến sinh mạng con
người và động vật.
1.1.3.3 Tác hại của kim loại nặng như Fe, Cu…trong nước thải
Kim loại nặng là một mối nguy lớn có trong nước thải. Tác hại của kim loại
nặng không chỉ làm mất đi một số tính chất hóa lý đặc biệt, gây nhiễm độc đối với
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 16
Ngành: Kỹ thuật môi trường
nước mà còn có thẻ gây nhiều bệnh tật lên con người và sinh vật tiếp xúc với nguồn
nước đó. Hiện nay, ở nhiều nơi trên thế giới và ngay tại Việt Nam, người dân vẫn
chưa có nước sạch để sinh hoạt hàng ngày, trong khi đó một lượng nước lớn vẫn bị
nhiễm độc và lãng phí.
Hầu hết các kim loại nặng như Fe, Cu 2+…tồn tại trong nước ở dạng ion với kích
thước rất nhỏ, với số lượng rất lớn. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau,
trong đó chủ yếu từ hoạt động công nghiệp. Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự
phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi
trường thì sẽ tồn tại lâu dài và không phân hủy. Chúng tích tụ vào các mô sống qua
chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng. Nước sau khi được xử lý
bằng phương pháp hóa lý hay hóa học vẫn còn lại một lượng kim loại nhất định và
có thể tích tụ theo thời gian.
1.1.4 Một số thông số đánh giá chất lượng nước thải sinh hoạt
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước nói chung được chia làm ba nhóm chính là:
theo các chỉ tiêu vật lý (nhiệt độ, hàm lượng cặn lơ lửng, độ màu, mùi, vị..); chỉ tiêu
hóa học (pH, độ kiềm, độ cứng, độ oxi hóa, hàm lượng sắt,…); chỉ tiêu sinh học và
vi sinh (các thủy sinh vật, tổng số lượng vi khuẩn, chỉ số Coli…).
1.1.4.1Độ pH
Độ pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Các
công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằm
trong giới hạn từ 6,5 - 8,5. Thông thường nước thải sinh hoạt có pH trong khoảng
trung tính, vì vậy rất phù hợp khi xử lý sinh học.
1.1.4.2 Hàm lượng các chất rắn
Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả năng
lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan. Và hàm lượng chất rắn lơ lửng hay được quan
tâm hơn cả trong nước thải sinh hoạt. Tải lượng các chất rắn lơ lửng trong nước thải
sinh hoạt nằm trong khoảng 200 – 250 (g/người/ngày).
1.1.4.3 Oxi hòa tan
Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxy được dùng nhiều cho các quá
trình hóa sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxy trầm trọng. Nồng độ oxy hòa tan
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 17
Ngành: Kỹ thuật môi trường
(DO) trong nước là số mg O 2 hòa tan trong 1 lít nước. DO thường tỷ lệ nghịch
với mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải: nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ
cao thì hàm lượng DO thấp và ngược lại. Do oxy được sử dụng cho các quá trình
sinh hóa hiếu khí các chất hữu cơ và oxy hóa các chất vô cơ khác, vì vậy oxy hòa
tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng được phân tích nhằm đánh giá sự ô
nhiễm của nước và giúp đề ra các biện pháp xử lý thích hợp.
1.1.4.4 Chỉ số BOD
Nhu cầu oxi sinh hóa hay là nhu cầu oxi sinh học là lượng oxi cần thiết để
oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước bằng VSV. Đơn vị là mg O 2/L.
Chỉ số BOD cao thì nước bị ô nhiễm nặng. Quá trình này đòi hỏi cần thời gian dài
ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, vào các chủng loại VSV,
nhiệt độ nguồn nước cũng như vào một số chất có độc tính ở trong nước. Khi đo
BOD cho nước thải, người ta thường quy ước để mẫu 5 ngày vì vậy gọi là BOD 5.
Nước sạch thì BOD < 2 mg O 2/L. Nước thải sinh hoạt thường có BOD từ 80-500
mgO2/L.
1.1.4.5 Chỉ số COD
COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ có
trong mẫu nước thành CO2 và nước. Chỉ số này được dùng rộng rãi để đặc trưng
cho hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên. Nước
thải ô nhiễm có tỉ lệ BOD/COD là 0,5 - 0,7.
1.1.4.6 Chỉ số N, P
Cần xác định tổng N, tổng P để chọn phương án giảm các thông số này hoặc
cân đối dinh dưỡng trong quá trình bùn hoạt tính. Trong nước thải sinh hoạt thì các
chỉ số này vào khoảng 50mg/L với Nitơ, và Phốtpho là 5mg/L.
1.1.4.7 Chỉ số vệ sinh (E.coli)
Nước thải sinh hoạt giàu chất hữu cơ nên có hệ VSV phong phú, bao gồm
cả các VSV gây bệnh và VSV không gây bệnh. Việc xác định tất cả các loài VSV
là rất khó khăn vì vậy mà người ta thường chọn phân tích E.coli làm sinh vật chỉ
thị cho chỉ tiêu vệ sinh. E.coli là trực khuẩn, khu trú trong đường ruột của động
vật máu nóng. Trừ một số chsủng E.coli sinh độc tố gây bệnh cho con người, còn
phần lớn chúng là VSV có ích. Trong nước thải sinh hoạt bao giờ cũng chứa
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 18
Ngành: Kỹ thuật môi trường
E.coli và sự có mặt của E.coli trong một nguồn nước bất kỳ đồng nghĩa với việc
nguồn nước này bị nhiễm phân và có khả năng chứa các VSV gây bệnh khác.
1.2
Các phương pháp xử lí nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các
cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải
trí, cơ quan công sở,…Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công
trình xử lý nước thải sinh hoạt là:
Phương pháp hóa học: Dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, gồm
có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc
hại. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm
và hóa chất thêm vào. Do đó, ưu điểm của phương pháp là có hiệu quả xử lý cao,
thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín, tự động hóa. Tuy
nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích
hợp cho các hệ thống xử lý nước thải với quy mô nhỏ và vừa.
Phương pháp hoá lý: Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử
lý nước thải sinh hoạt là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước
thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học,
tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc
gây ô nhiễm môi trường. Các phương pháp thường được áp dụng để xử lý nước thải
là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc…
Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý kết hợp với các
phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh.
Phương pháp sinh học: Sử dụng khả năng sống và hoạt động của các VSV
có ích để phân huỷ các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải.
Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu gồm bốn nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá
trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian
anoxic – kị khí. Đối với xử lý nước thải sinh hoạt, quá trình xử lý hiếu khí bằng
bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học được ứng dụng phổ biến nhất.
1.3
Phương pháp sinh học xử lý nước thải sinh hoạt giàu chất dinh dưỡng
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 19
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Phương pháp sinh học là phương pháp xử lý nước thải nhờ vào khả năng sống và
hoạt động của các loài vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải
thủy sản. Các sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm
nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng.
Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxy hóa
các liên kết hữu cơ dạng hòa tan và không hòa tan của vi sinh vật – chúng sử dụng
các liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng. Qúa trình hấp thụ dinh dưỡng làm
cho chúng sinh sản, phát triển và tăng số lượng tế bào (tăng sinh khối), đồng thời
làm sạch (có thể gần hoàn toàn) các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán
nhỏ.
Trong xử lý sinh học người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước
thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì
phương pháp xử lý sinh học có thể khử các chất sunfit, muối amon, nitrat..các chất
chưa bị oxi hóa hoàn toàn. Kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng
hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước.
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên gồm có:
Hồ sinh vật
Hệ thống xử lý bằng thực vật nước(lục bình, lau, sậy, rong-tảo…)
Cánh đồng tưới
Cánh đồng lọc
Đất ngập nước
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo gồm có:
Bể lọc sinh học các loại
Quá trình bùn hoạt tính
Lọc sinh học tiếp xúc dạng trống quay (RBC)
Hồ sinh học thổi khí
Mương oxy hóa…
Hệ vi sinh vật trong nước thải
1.4
VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé. Tế bào của chúng không
thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với độ phóng đại
từ 400 đến 1000 lần.
Số lượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các
chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tử ngoại… Mỗi
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 20
Ngành: Kỹ thuật môi trường
loại nước thải có hệ VSV đặc trưng. Nước thải sinh hoạt rất giàu các chất hữu cơ, vì
vậy số lượng VSV trong các loại nước này là rất lớn và chủ yếu là vi khuẩn. Các
VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồm các loại vi khuẩn, virut, xạ khuẩn,
nấm men, nấm mốc. Trong số đó, vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. Nước thải ở các nhà
máy thải ra nhiều xenluloza và nhà máy chế biến thực phẩm thường có nhiều vi
khuẩn Sphaerptilus natans. Loại vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm với vi
nấm trong nước thải do nó phủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường tạo
thành các sợi, khi vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Nhóm vi khuẩn này phát triển
mạnh ở nhiều nước oxygen. Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân giải
đường như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp; các vi khuẩn gây thối:
Pseudomonas fluorecens, proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy hóa
lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa:
Thiobacillus denitrificans, micrococus denitrificans. Trong nước thải chứa dầu
người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbohydrat: Pseudomonas, Nocardia…[15]
Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm men như:
Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium
aquaeducteum…Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khả năng phát triển thành
khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90-120 phút và có thể bịt kín
hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòng chảy, gây phiền hà trong việc thải
nước. Leptomitus lacteus có thể sống xung quanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh
vào mùa đông [12].
1.5
Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải
Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai trò quan trọng
trong quá trình làm sạch nước thải. Tuy nhiên, đóng vai trò quyết định trong làm
sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học. Tại chỗ nước thải đổ ra, thường tụ tập
các loại chim, cá. Chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn. Tiếp sau
đó là các động vật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh động
vật. Chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh dưỡng. Song cần phải
nhấn mạnh vai trò quyết định của các VSV trong quá trình làm sạch nước thải. Cơ
chế của quá trình làm sạch nước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 21
Ngành: Kỹ thuật môi trường
+ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;
+ Qúa trình khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm
vào trong tế bào VSV;
+Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp
vật liệu mới cho tế bào VSV;
Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các chất
-
gây ô nhiễm trong nước giảm dần.
Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính:
Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thu năng
lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm
-
này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh…
Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon
dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và phát triển. Các
VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sống của chúng
đối với nhu cầu oxy:
+ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình hô
hấp ở động vật bậc cao. Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện ở
phản ứng sau:
VSV hiếu khí
Chất hữu cơ + O2
CO2 +H2O + sinh khối VSV + năng lượng + NH 4+ +
H2S + NO3- + SO42Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm khoảng 40% là sinh khối VSV
và gần 60% là CO2 + H2O.
+ Nhóm VSV kỵ khí: là nhóm VSV có thể sống và hoạt động ở điều kiện kỵ khí
(không cần có oxy của không khí). Các VSV này có khả năng sử dụng oxy trong
những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hóa các chất hữu cơ. Sự phân hủy các chất hữu
cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:
Chất hữu cơ + NO3- + SO42- VSV kị khí CO 2 + H2O +CH4 + N2 + H2S + NH4+ +
axit hữu cơ + sinh khối VSV + năng lượng
+ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thể sinh
trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy. Chúng luôn có mặt trong nước thải.
Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lại
được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [12].
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 22
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiều nhất và
cũng đóng vai trò quan trọng nhất. Ngoài ra, cũng có các nhóm VSV khác như nấm
men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn. Những nhóm này là các
VSV dị dưỡng hiếu khí. Nhiều loại nấm, kể cả nấm độc có khả năng phân hủy
xenlulozo, hemixenlulozo và đặc biệt là lignin. Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả
nấm mốc, nấm men, cũng như xạ khuẩn trong quá trình xử lý nước thải không quan
trọng bằng vi khuẩn [13].
1.6
Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo
Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp
dưỡng. Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài. Chúng là thực vật
phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác).
Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3. Nhiều loài
tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn
lam. Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo lam
Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho
nước ngả màu hồng, các loài khuê tải Melorisa, Navicula làm cho nước có màu
vàng nâu…[13]
Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt nhất cho tảo phát triển.
Nguồn CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ
tạo thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí.
Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa vào
đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng. Tảo sử dụng CO 2 hoặc bicacbonat làm
nguồn cacbon và nguồn nito, phot pho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của
năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy. Qúa trình quang hợp của
tảo được biểu diễn như sau:
CO2 + NH4+ + PO43- Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2
Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trong nước,
tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phản ứng
oxy hóa – khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanh hơn.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 23
Ngành: Kỹ thuật môi trường
Vai trò chính của tảo và thực tập thủy sinh là khử nguồn amonium hoặc nitrat,
cùng nguồn photphat có trong nước. Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễm trong
nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy và có rễ
để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sáng mặt trời
giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn.
Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản. Một số loài
tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọng trong
quá trình làm sạch nước thải. Cùng với các VSV khác, vi tảo giữ vai trò như máy
lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau
cùng của phân hủy hữu cơ và chuyển hóa chúng sang dạng ít độc hại hơn hoặc phân
giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại. Những loài tảo và vi
khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ
yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có
nhiều nghiên cứu quan trọng trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo
trong xử lý nước ô nhiễm. Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học
Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp. Có khả năng
làm sạch nước thải nuôi tôm sú. Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường
Đại học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất
hiệu quả của loài tảo Chlorella [28]. Năm 2010, các nhà nghiên cứu của Thụy Điển
cũng chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nito và photpho có trong nước thải rất
tốt, hiệu suất xử lý nito đạt 60-80% và photpho đạt từ 60-100% trong các tháng của
mùa hè [27].
Mặc dù phương pháp sinh học sử dụng thực vật thủy sinh hay vật liệu sinh học
vẫn có khả năng hấp thu kim loại thành công, nhưng hiệu quả khi sử dụng vi tảo là
vượt trội hơn so với những nguyên liệu khác. Một số ưu thế đặc biệt khi sử dụng vi
tảo so với tất cả các phương pháp khác:
-
Nhiều loại vi tảo có khả năng thu nhận kim loại nặng ở mức độ cao, nồng độ kim
loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàng nghìn
lần nồng độ trong tự nhiên.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 24
Ngành: Kỹ thuật môi trường
-
Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rất hiệu quả
-
trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nước.
Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa hóa học ở
dạng thích nghi với sự thay đổi pH và nồng độ kim loại nặng; tốt hơn phương pháp
trao đổi ion và thẩm thấu ngược ở khả năng nhạy cảm với sự hiện diện của chất rắn
-
lơ lửng, các chất hữu cơ, và sự hiện diện của các kim loại khác.
Có khả năng xử lý với một thể tích lớn nước thải với tốc độ nhanh.
Có tính chọn lọc cao nên nồng độ kim loại nặng còn lại sau xử lý sinh học có thể
-
chỉ còn thấp hơn 1 ppm trong nhiều trường hợp.
Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất đắt tiền, dễ vận hành, phù
hợp với các điều kiện hóa lý khác nhau nên giá thành thấp (chỉ bằng khoảng 1/10
-
giá thành của phương pháp trao đổi ion).
Trong hoạt động quang hợp của mình vi tảo còn thu nhận một lượng lớn khí CO 2,
các muối dinh dưỡng, có tác dụng làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngăn ngừa và khắc
phục tình trạng phì dưỡng (eutrophication) của môi trường nước.
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư
Trang 25
Ngành: Kỹ thuật môi trường
CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA TẢO SPIRULINA PLATENSIS TRONG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI SINH HOẠT
2.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina
2.1.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina trên thế giới
Năm 1974, DIC – một tập đoàn hóa chất lớn của Nhật Bản đã bắt đầu tập trung
nghiên cứu tảo Spirulina. Đây là tập đoàn đầu tiên đã thành công trong việc nuôi
trồng Spirulina ở qui mô công nghiệp và thương mại hóa tảo Spirulina trên thế giới
[26]. Ngày nay, với 3 trang trại nuôi trồng tại Mỹ, Trung Quốc và Thái Lan, tập
đoàn DIC đã nuôi trồng và sản xuất tảo Spirulina với sản lượng hàng năm lên đến
900 tấn. Năm 1979, tại Mỹ, tập đoàn Earthrise cũng đã nghiên cứu và đưa Spirulina
đến với thị trường thực phẩm thiên nhiên. Sau đó, vào năm 1982, Earthrise xây
dựng trang trại nuôi trồng Spirulina đầu tiên tại Mỹ. Cho đến nay đây là trang trại
nuôi trồng Spirulina lớn nhất trên thế giới.
Không chỉ được biêt đến như một nguồn thực phẩm chức năng trên thế giới, khả
năng xử lý môi trường của tảo lam Spirulina đã nghiên cứu tại nhiều nước. Năm
2000, tại Malaysia, Spirulina được ứng dụng trong xử lý nước thải từ nhà máy sản
xuất dầu cọ [34]. Năm 2003, tại Thái Lan, khả năng làm sạch nước thải ao nuôi tôm
của Spirulina cũng đã được chứng minh [23]. Tại Nhật Bản, cùng với chủng vi
khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana, tảo lam
Spirulina cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu hàm lượng
hữu cơ. Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật AND tái tổ hợp và công nghệ gen để
chuyển gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành ở Nhật Bản nhằm tạo ra những
chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triển vọng trong việc sử
dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [31]. Các nhà khoa học tại
MeOlguinhico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4+ và PO43- trong nước
Sinh viên: Phan Thị Hoài Cẩm
Lớp: 52MT
