Xây dựng quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh yếm khí sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại Trường đại học Nha Trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM THỊ LAN

XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ TẠO CHẾ PHẨM VI SINH YẾM
KHÍ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Chuyên ngành :

Công nghệ sinh học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS. TS. Trần Liên Hà
2. TS. Vũ Ngọc Bội

Hà Nội – Năm 2013


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 4
Chương 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 6
1.1. Tổng quan về nước thải ........................................................................................6

1.1.1. Khái niệm nước thải .......................................................................................6
1.1.2. Nước thải sinh hoạt ........................................................................................7
1.1.2.1. Thành phần, tính chất, nguồn gốc nước thải sinh hoạt. ...........................7
1.1.2.2. Những thông số đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải .....................11
1.2. Tổng quan việc sử dụng nước thải Trường Đại học Nha Trang .........................12
1.2.1. Đăc điểm nước thải sinh hoạt Trường Đại học Nha Trang ..........................12
1.2.2. Quy trình xử lý nước thải của Trường Đại học Nha Trang .........................15
1.2.2.1. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của trường Đại học Nha Trang ...........15
1.2.2.2. Thuyết minh quy trình ...........................................................................16
1.3. Một số phương pháp xử lý nước thải ..................................................................17
1.3.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học ..................................................17
1.3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý và hóa học ................................18
1.3.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ...............................................18
1.4. Vi sinh vật tham gia xử lý nước thải ...................................................................22
1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý yếm khí ...........................................24
1.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ...............................................................................24
1.5.2. Ảnh hưởng của pH .......................................................................................25
1.5.3. Ảnh hưởng của thời gian ..............................................................................25
1.5.4. Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng ..................................................................26
1.5.5. Các độc tố .....................................................................................................26
1.6. Các phương pháp xác định, phân loại vi sinh vật ...............................................26
1.6.1. Phân loại theo phương pháp truyền thống ...................................................26
1


1.6.1.1. Các phương pháp dựa trên đặc điểm hình thái ......................................26
1.6.1.2. Các phương pháp dựa trên điều kiện nuôi cấy và đặc điểm sinh lý ......27
1.6.1.3. Các phương pháp dựa trên các phản ứng sinh hóa ................................27
1.6.2. Phân loại theo phương pháp hiện đại ...........................................................27
1.7. Một số chế phẩm vi sinh hiện nay ......................................................................28

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ................................................................28
1.7.2 Tình hình trong nước.....................................................................................29

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 31
2.1. Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu .....................................................31
2.2. Vật liệu dùng cho nghiên cứu .............................................................................31
2.2.1. Hóa chất và mơi trường ................................................................................31
2.2.2. Dụng cụ, thiết bị ...........................................................................................31
2.2.3. Môi trường nuôi cấy vi sinh vật ...................................................................32
2.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................32
2.3.1. Phương pháp phân lập vi sinh vật ................................................................32
2.3.2. Phương pháp xác định hoạt tính enzym .......................................................33
2.3.3. Phương pháp thử hoạt tính catalaza .............................................................33
2.3.4. Phương pháp quan sát hình thái tế bào ........................................................33
2.3.5. Phương pháp xác định đường cong sinh trưởng .........................................34
2.3.6. Phương pháp xác định khả năng sử dụng đường .........................................34
2.3.7. Xác định khả năng thủy phân tinh bột ........................................................34
2.3.8. Xác định khả năng thuỷ phân gelatin ..........................................................34
2.3.9. Nghiên cứu đặc điểm sinh học và phân loại ................................................35
2.3.9.1. Phân loại theo phương pháp sinh hóa....................................................35
2.3.9.2. Phân loại các chủng vi khuẩn bằng phương pháp sinh học phân tử .....35
2.3.10. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ..............................37
2.3.10.1. Ảnh hưởng của pH ..............................................................................37
2.3.10.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................................38
2.3.10.3. Ảnh hưởng của thời gian .....................................................................38
2.3.10.4. Ảnh hưởng của nguồn cacbon .............................................................38
2.3.10.5. Ảnh hưởng của nguồn nitơ ..................................................................38
2.3.10.6. Phương pháp tạo chế phẩm .................................................................38
2

2.3.10.7. Xác định số lượng vi sinh vật trong chế phẩm ...................................38
2.3.10.8. Phương pháp xác định COD ................................................................39
2.3.10.9. Xác định BOD5 ....................................................................................40
2.3.10.10. Kiểm tra khả năng xử lý nước thải của các chủng vi sinh vật...........41
2.3.10.11. Phương pháp xử lý số liệu .................................................................41

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 42
3.1. Phân lập và tuyển chọn .......................................................................................42
3.1.1. Phân lập ........................................................................................................42
3.1.2. Tuyển chọn ...................................................................................................42
3.2. Đặc điểm sinh học và đặc điểm phân loại của các chủng vi sinh vật .................44
3.2.1. Đặc điểm hình thái .......................................................................................45
3.2.2. Đặc điểm ni cấy ........................................................................................45
3.2.3. Đặc điểm sinh hóa của các chủng vi sinh vật ..............................................45
3.3. Xác định trình tự gen mã hóa 16S rRNA...........................................................46
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men Bacillus subtilis H2.3 ..................51
3.4.1. Ảnh hưởng của nguồn nitơ ...........................................................................51
3.4.2. Ảnh hưởng của nguồn cacbon khác nhau đến tốc độ sinh trưởng và hoạt
tính enzym của chủng Bacillus subtilis H2.3...........................................................52
3.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nuôi cấy đến tốc độ sinh trưởng và hoạt tính enzym
của chủng Bacillus subtilis H2.3..............................................................................52
3.4.4. Ảnh hưởng của pH môi trường đến tốc độ sinh trưởng và hoạt tính enzym
của chủng Bacillus subtilis H2.3..............................................................................53
3.5. Xây dựng quy trình tạo chế phẩm vi sinh yếm khí .............................................54
3.5.1. Nhân giống trong bình tam giác ...................................................................55
3.5.2. Nhân giống trong bình lên men (giống cấp 2) .............................................55
3.5.3. Nghiên cứu thời gian bảo quản của chế phẩm .............................................56
3.6. Kiểm tra khả năng xử lý nước thải của các chủng ..............................................58
3.6.1. Sự biến động nhu cầu oxy hóa học ..............................................................58

3.6.2. Sự biến động nhu cầu oxy sinh học .............................................................59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 60

3


MỞ ĐẦU
Vai trò của vi sinh vật trong các lĩnh vực bảo vệ môi trường và ứng dụng trong
sản xuất ngày càng được khẳng định. Nếu như cách đây 15 năm người Việt nam lần đầu
tiên mới được nghe đến chế phẩm vi sinh vật có tên gọi EM xuất xứ từ Nhật bản với
hiệu quả vô cùng lớn trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống thì hiện nay trên thị trường
trong nước đã xuất hiện vô số các sản phẩm vi sinh khác nhau do các nhà khoa học và
các cơ sở trong nước nghiên cứu và sản xuất. Tuy nhiên những chế phẩm sản xuất trong
nước nhiều khi khơng đem lại kết quả mong muốn, cịn chế phẩm ngoại nhập thì khơng
kinh tế vì giá thành thường rất cao so với thu nhập của người dân, thậm chí đối với cả
nhiều nhà đầu tư sản xuất lớn, các công ty trong các lĩnh vực xử lý ô nhiễm môi trường
và nuôi trồng thủy sản. Nguyên nhân căn bản khiến cho các chế phẩm trong nước kém
cạnh tranh là:
- Thành phần loại vi sinh vật trong các chế phẩm chưa thật đầy đủ, do vậy tập đoàn
vi sinh vật chưa hồn tồn thực hiện được chức năng khép kín các q trình phân rã chất
thải trong tự nhiên, ví dụ như các vi sinh vật kỵ khí cịn ít được chú trọng mặc dù chúng
là những mắt xích quan trọng trong chu trình này.
- Trong quá trình sản xuất ở qui mô lớn, chế phẩm sản xuất trong nước nhiều khi
khơng ổn định về thành phần lồi vi sinh vật cũng như hoạt tính sinh học của chúng, do
vậy chất lượng không đảm bảo khi đến tay người tiêu dùng. Bên cạnh đó cịn phải kể
đến yếu tố kém cạnh tranh của các chủng vi sinh vật sử dụng trong chế phẩm ngoại nhập
ở các điều kiện môi trường Việt nam. Để khắc phục những hạn chế kể trên, việc chế tạo
và hoàn thiện các sản phẩm sinh học trên nguồn vi sinh vật trong nước để thay thế các
chế phẩm ngoại nhập có thể coi là giải pháp duy nhất.

Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường, ĐH Nha Trang hiện đang phân lập và
tuyển chọn các chủng vi sinh vật yếm khí có hoạt tính sinh học cao để làm cơ sở cho
việc phát triển ngành công nghệ sinh học. Bên cạnh việc phân lập và bảo quản các chủng
vi sinh vật có ích đối với ngành cơng nghệ sinh học, Viện cịn có nhiệm vụ phát triển
sinh phẩm để phục vụ cho nhu cầu sử dụng trong Trường, các cơ sở nuôi trồng thủy sản
trong tỉnh cũng như các địa phương lân cận. Trường Đại học Nha Trang đã tiến hành đề
tài: Xây dựng và thử nghiệm phương án xử lý nước thải sinh hoạt để tái sử dụng trong
trường đại học Nha Trang. Đề tài đã thử nghiệm thành công hệ thống xử lý nước thải

4


sinh hoạt tại Trường Đại học Nha Trang. Tuy các nghiên cứu về xử lý nước thải sinh
hoạt ở trường Đại học Nha Trang chưa tạo ra được chế phẩm vi sinh để bổ sung vào hệ
thống nước xử lý nước thải mà phải mua chế phẩm ở ngoài nên chi phí cho xử lý cao.
Vì thế việc nghiên cứu tạo ra chế phẩm vi sinh để bổ sung vào hệ thống xử lý nước thải
ở Trường là rất cần thiết, giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí trong quá trình xử lý.
Tự sản xuất được chế phẩm giúp chúng ta chủ động hơn trong xử lý và hạ giá thành.
Dựa vào những yêu cầu thực tiễn ở trên tơi thực hiện đề tài: ”Xây dựng quy trình cơng
nghệ tạo chế phẩm vi sinh yếm khí sử dụng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại
Trường Đại học Nha Trang”. Đề tài này được đặt ra với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng
của các điều kiện trong qui trình sản xuất lên chế phẩm vi sinh yếm khí dùng xử lý nước
thải tại Trường Đại học Nha Trang thơng qua việc đánh giá tính ổn định của tập đoàn vi
sinh vật trong chế phẩm cũng như hoạt tính của chúng qua mỗi bước của quy trình sản
xuất. Từ các kết quả thu được chúng tôi sẽ đưa ra một quy trình sản xuất tối ưu nhất đối
với chế phẩm vi sinh được nghiên cứu này.
Mục đích:
Xây dựng quy trình cơng nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh yếm khí sử dụng trong
hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Trường Đại học Nha Trang.
Để đạt được những mục tiêu và mục đích trên, các nội dung nghiên cứu bao gồm:

-

Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải.

-

Nghiên cứu các đặc điểm hình thái, sinh học, định danh được một số chủng vi

sinh vật yếm khí có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt.
-

Tối ưu hóa các điều kiện lên men.

-

Xây dựng QTCN tạo chế phẩm vi sinh yếm khí dùng trong hệ thống xử lý nước

thải sinh hoạt.
-

Bước đầu phân tích và tạo chế phẩm.

-

Thử nghiệm tác dụng của chế phẩm lên men trên nước thải sinh hoạt của trường

Đại học Nha Trang ở quy mô phịng thí nghiệm.
Đối tượng nghiên cứu: Các chủng vi sinh vật dùng làm chế phẩm được phân lập
từ đất ở nhiều nơi như: Hòn Một, Hòn Mun, Hòn Tằm, Hồ cá Trí Ngun, Hịn Chồng,
và từ nước thải sinh hoạt Trường Đại học Nha Trang.

5


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nước thải
1.1.1. Khái niệm nước thải
Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ô
nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành: nước thải sinh
hoạt, nước công nghiệp, nước thải tự nhiên và nước thải đô thị [11].
Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương
mại, công sở, trường học hay các cơ sở khác. Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và
42% chất khoáng. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất
hữu cơ không bền sinh học (như cacbonhydrat, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat,
nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi.
Nước thải công nghiệp (hay nước thải sản xuất)
Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động sản xuất.
Trong q trình cơng nghệ các nguồn nước thải có thể phân thành:
- Nước hình thành do phản ứng hóa học (chúng bị ô nhiễm bởi các tác chất và
các sản phẩm phản ứng).
- Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách
ra trong quá trình chế biến.
- Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị.
- Nước hấp thụ, nước làm nguội.
Nước tự nhiên
Nước mưa được xem là nước thải tự nhiên. Ở những thành phố hiện đại, nước
mưa được thu gom bằng hệ thống riêng.
Nước thải đô thị

Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thốt của
một thành phố. Đó là hỗn hợp các loại nước thải kể trên.
Ơ nhiễm mơi trường nói chung và ơ nhiễm nước nói riêng khơng phải là vấn đề
riêng của một quốc gia nào mà là vấn đề chung của hầu hết các nước trên thế giới.

6


Trong đó, một số nước thải cơng nghiệp và nước thải sinh hoạt có chứa các hoạt
chất hữu cơ, amoni, sắt và các hợp chất có khả năng bị oxy hóa khác và chúng là các
chất chủ yếu tạo ra nhu cầu oxy sinh hóa BOD của nước thải. Vì thế, khi xả nước thải
công nghiệp và nước thải sinh hoạt có chứa nồng độ BOD cao hơn tiêu chuẩn cho phép
ra các nguồn tiếp nhận sẽ làm giảm lượng oxy hịa tan trong các nguồn nước và tạo ra
mơi trường yếm khí, làm mất cân bằng sinh thái của môi trường nước [15].
1.1.2. Nước thải sinh hoạt
1.1.2.1. Thành phần, tính chất, nguồn gốc nước thải sinh hoạt.
Cùng với sự phát triển của văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng tăng,
lượng nước công nghiệp cũng như nước sinh hoạt thải ra ngày càng nhiều, đã và đang
gây ô nhiễm đáng kể đến nước mặt và môi trường. Do đó nhiều vùng nước mặt đã bị ơ
nhiễm các loại hợp chất hóa học và các loại vi sinh vật độc hại. Nước thải là chất lỏng
được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của
chúng. Nước thải đóng một vai trị rất quan trọng gây ơ nhiễm nước, có thể phân loại
như sau: Phân loại theo xác định nguồn thải; Phân loại theo tác nhân ô nhiễm; Phân loại
theo nguồn gốc phát sinh chúng. Có thể nói nước thải là một hệ dị thể phức tạp, bao gồm
rất nhiều chất tồn tại dưới các trạng thái khác nhau. Nếu như nước thải cơng nghiệp chứa
nhiều các hóa chất vơ cơ và hữu cơ thì nước thải sinh hoạt lại chứa rất nhiều các chất
dưới dạng protein, hiđratcacbon, mỡ, các chất thải, rác rưởi, các chất hoạt động bề mặt....
các hợp chất vô cơ thường gặp ở đây: K+, Na+, Ca2+, M2+, Cl-,.. Ngoài ra nước thải sinh hoạt
còn chứa các vi khuẩn, virus, rong, rêu [15].
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh

hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ,tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,… Chúng thường được thải
ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các cơng trình cơng cộng khác.
Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn
cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một
khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm
cấp nước hiện có. Các trung tâm đơ thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với
các vùng ngoại thành và nơng thơn, do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu
người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn. Nước thải sinh hoạt ở các trung
tâm đơ thị thường thốt bằng hệ thống thốt nước dẫn ra các sơng rạch, cịn các vùng

7


ngoại thành và nơng thơn do khơng có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu
thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm.
Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt.
Gồm 2 loại:
- Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh.
- Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất
rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà.
Nước thải sinh hoạt thường không được xem một cách phức tạp như là nguồn
nước thải cơng nghiệp vì nó khơng có nhiều thành phần độc hại như phenol, và các chất
hữu cơ độc hại.
Trong thiết kế các trạm xử lý nước thải, các thông số về lượng chất rắn lơ lửng
(suspended solids, SS) và BOD5... thường được sử dụng giới hạn. Tổng chất rắn (total
solids, TS) có thể lấy theo hình 2.1 hoặc chừng 225l/người.ngđ hoặc xấp xỉ 800mg/l.
Lượng chất rắn lơ lửng có thể lấy chừng 40% tổng lượng rắn, hoặc chừng 350 mg/l.
Trong số này, khoảng 200 mg/l là lượng rắn lơ lửng có thể lắng đọng chừng 60% sau
khoảng 1 giờ để yên nước, được lấy ra khỏi nước và xử lý vật lý như một biện pháp lắng
sơ cấp (primary settling). Phần còn lại, khoảng 100 mg/l là những chất không thể lắng

đọng và có thể dùng các biện pháp xử lý hóa học hoặc sinh học để loại thải. Hầu hết
biện pháp xử lý thứ cấp (secondary treatment process) là sinh học. Phần cịn lại cuối
cùng phần lớn là vi chất vơ cơ của chất rắn không lắng đọng được, muốn loại bỏ hoàn
toàn phải dùng những biện pháp xử lý triệt để.

8


Hình 1.1. Phân loại chất rắn trong nước thải loại vừa
(Nguồn: Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering, 1991)
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngồi ra cịn
có cả các thành phần vơ cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ
chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%), hydrat cacbon (40
– 50%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 –
450 mg/l theo trọng lượng khơ. Có khoảng 20 – 40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh
học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt
khơng được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm
trọng [11].

9


Bảng 1.1: Thành phần nước thải sinh họat phân tích theo các phương pháp của APHA

Các chất mg/l

Mức độ ô nhiễm
Nặng

Trung bình

Thấp

Tổng chất rắn

1000

500

200

Chất hịa tan

700

350

120

Chất khơng hịa tan

300

150

8

Tổng chất lơ lửng

600

350

120

Chất răn lắng

12

8

4

BOD

300

200

100

OD

0

0

0

Tổng nito

85

50

25

Nitơ hữu cơ

35

20

10

Nitơ ammoniac

50

30

16

NO2

0,1

0,05

0

NO3

0,4

0,2

0,1

Clorua

175

100

15

Độ kiềm

200

100

50

Chất béo

40

20

0

Tổng photpho
8
Nguồn: Ng.Thị Kim Thái, Lê Hiền Thảo, 1999

-

Khối lượng nước thải.
Nước thải sinh hoạt thường không cố định lượng xả ra theo thời gian trong ngày
và theo tháng hoặc mùa. Lượng nước thải sinh hoạt thường được tính gần đúng dựa vào
kinh nghiệm đánh giá qua qui mô khu vực sinh sống (thành thị, ngoại ô, nông thôn),
chất lượng cuộc sống (cao, trung bình, thấp)... Việc đo lưu lượng lượng nước thải cũng
rất cần thiết nếu có điều kiện. Trong ngày, việc đo lưu lượng có thể thực hiện vào các
thời điểm từ 6 – 8h, 11 – 13h và 17 – 19h. Trong năm, nên chọn việc đo nước thải vào
mùa hè (tháng 3, 4, 5). Sơ bộ trong 1 ngày đêm, có thể lấy lượng nước thải khoảng 200
– 250 l/người cho khu vực có dân số P < 10.000 người. Khu vực có P > 10.000 người
có thể lấy vào khoảng 300 – 380 l/người.
Nước thải sinh hoạt có thành phần với các giá trị điển hình như sau: COD = 500
mg/l, BOD5 = 250 mg/l, SS = 220 mg/l, photpho = 8 mg/l, nitơ NH3 và Nitơ hữu cơ là

10


40 mg/l, pH = 6.8, TSS = 720mg/l. Như vậy, nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất
dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Thơng thường
các q trình xử lý sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỷ lệ sau: BOD5 :N:P = 100:5:1.
Một tính chất đặc trưng nữa của Nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ
đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thoát ra khỏi các quá

trình xử lý sinh học cùng với bùn [11].
1.1.2.2. Những thông số đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải
Để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải cần dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản sau [13]:
- Chỉ số pH: Đây là thông số quan trọng cho biết mức độ ô nhiễm bẩn vì pH có
ảnh hưởng đến các phản ứng sinh học, hoạt động sống của các loại vi sinh vật . Đa số
các lồi vi sinh vật có giá trị pH tối ưu nằm trong khoảng từ 6,5-8,8 .
- Màu: Nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung màu nước
thải thường là màu xám có vẩn đục. Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổi đáng kể
nếu như nó bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải sẽ có màu đen tối.
- Mùi: Mùi có trong nước thải sinh hoạt là do có khí sinh ra từ quá trình phân
hủy các hợp chất hữu cơ hay do có một số chất được đưa thêm vào trong nước thải.
Nước thải sinh hoạt thơng thường có mùi mốc, nhưng nếu nước thải bị nhiễm khuẩn thì
nó sẽ chuyển sang mùi trứng thối do sự tạo thành H2S trong nước.
- Hàm lượng chất lơ lửng: Hàm lượng chất lơ lửng là thành phần vật lý đặc
trưng của nước thải. Đây là chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải.
- Nồng độ oxy hòa tan (DO): DO là yếu tố quyết định các quá trình thủy phân
các chất hữu cơ có trong nước thải diễn ra trong điều kiện kỵ khí hay hiếu khí. DO dùng
để xác định lượng chất bẩn có trong nước thải trước và sau khi xử lý, và đánh giá chất
lượng nước sau khi xử lý.
- Nhu cầu oxy sinh học (BOD - Biochemical oxygen demand): Là lượng oxy cần
thiết cung cấp cho vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. BOD
dùng để đánh giá chất lượng nước sau khi sử lý. Chỉ số BOD càng lớn thì mức độ ô
nhiễm càng cao.

11


- Nhu cầu oxy hóa học (COD - Chemical oxygen demand ): Chỉ số COD là lượng
oxy cần thiết cho q trình oxy hóa tất cả các hơp chất hữu cơ có trong nước thải bằng
phương pháp hóa học.

- Các chất khí hịa tan: Đây là những khí có thể hịa tan được trong nước thải.
Nước thải cơng nghiệp thường có nồng độ oxy tương đối thấp.
- Hợp chất chứa N: Số lượng và các loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi trong
từng dạng nước thải khác nhau (nước thải chưa xử lý và nước thải sau xử lý ở dòng ra).
Phần lớn N chưa được xử lý trong nước thải sẽ chuyển sang dạng N hữu cơ hay NNH3. Nồng độ N trong nước thải thường là 20 – 85 mg/l; trong đó N hữu cơ thường ở
khoảng 8– 35 mg/l, còn nồng độ N-NH3 thường từ 12 – 50 mg/l.
- Phôtpho: Đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hóa, nhưng chỉ nên hiện
diện với một lượng tối thiểu, hoặc sẽ được loại bỏ sau quá trình xử lý bậc hai. Số lượng
P dư thừa có thể gây rối dịng chảy và làm tăng trưởng quá mức các loại tảo. Nồng độ
P thường trong khoảng 6 – 20 mg/l. Quá trình loại bỏ hợp chất phơtphat trong các
chất tẩy rửa có ảnh hưởng quan trọng đến khối lượng P trong nước thải.
- Các chất rắn: Hầu hết các chất ơ nhiễm trong nước thải có thể được xem là
các chất rắn. Mục đích của việc xử lý nước thải là nhằm loại bỏ các chất rắn hoặc
chuyển chúng sang dạng ổn định hơn và dễ xử lý. Các chất rắn có thể được phân
loại dựa vào thành phần hóa học của chúng (hữu cơ hay vơ cơ), hoặc bởi các đặc
tính vật lý (có thể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hay ở dạng keo). Nồng độ tổng các
chất rắn trong nước thải thường dao động trong khoảng 350 – 1200 mg/L [13].

1.2. Tổng quan việc sử dụng nước thải Trường Đại học Nha Trang
1.2.1. Đăc điểm nước thải sinh hoạt Trường Đại học Nha Trang
Cở sở của Đại học Nha Trang nằm tọa lạc trên 3 quả đồi cao phía đơng bắc Tp.
Nha Trang. Hiện nay Trường Đại học Nha Trang đang phát triển nhanh về diện tích và
quy mơ xây dựng nhưng hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải chưa được chuẩn
bị tốt. Trên diện tích gần 20ha với số cán bộ, giảng viên trên 800 người, hơn 20.000 sinh
viên, trong đó khoảng 5000 sinh viên nội trú, khu tập thể giáo viện, khu căntin, sân vận
động cũng nằm trong khuôn viên Trường. Hàng tháng Trường tiêu thụ khoảng 40.000
m3 nước phục vụ cho việc sinh hoạt, học tập, nghiên cứu khoa học và 900 m3 nước cho
tưới cây và thải ra môi trường trên 25.000 m3 nước thải (số liệu của phòng QTTB trung
12

bình các tháng 6,7,8,9,10/2008). Hiện nay, số lượng nước thải trên chỉ được xử lý theo
phương pháp thấm nên đã và đang gây ô nhiễm cho khu vực. Do khả năng xử lý thấm
tự nhiên có hạn, nếu lượng nước thải trên không được kịp thời xử lý, vấn đề gây ô nhiễm
cho khu vực Trường tọa lạc chắc chắn sẽ xảy ra nghiêm trọng và chỉ còn là vấn đề thời
gian [17].
Nước thải sinh hoạt được thải ra từ các khu vực ký túc xá, căntin, khu tập thể
giáo viên của trường Đại học Nha Trang thường có mức độ ô nhiễm cao, các thông số
như COD, BOD vượt quá yêu cầu cho phép [17]. Theo thống kê của Nguyễn Văn Thọ
(2009), thành phần nước thải của trường Đại học Nha Trang được trình bày trong Bảng
1.2.
Bảng 1.2. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [17]
Chỉ tiêu
Địa điểm

pH

COD (mg/l)

TSS
(mg/l)

BOD (mg/l)

Tổng P
(mg/l)

Tổng N
(mg/l)

Ký túc xá
K7

6,5 ±
0,2

322,0 ± 49,1 37,7 ± 7,7

223,5 ± 23,
1

8,7 ± 0,2

60,2 ± 8,2

Ký túc xá
K5

6,4 ±
0,1

312,0 ± 64,9 41,7 ± 2,0 215,5 ± 6,9

8,5 ± 1,1

60,2 ± 5,1

Tổng hợp

6,6 ±

0,2

8,8 ± 0,7

58,5 ± 6,6

317 ± 18,9

32,7±10,2 225,0±13,4

Nhận thức sâu sắc ảnh hưởng tiêu cực của vấn đề ô nhiễm nước thải của khu sinh
hoạt tập thể và làm việc của nhà trường, từ năm 2005, Lãnh đạo nhà trường đã đặc biệt
quan tâm chỉ đạo xây dựng và triển khai xây dựng kịp thời cơng trình xử lý nước thải
sinh hoạt từ trường. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau, đến nay cơng trình
trọng điểm trên mới hình thành ở dạng đề án và chưa có điều kiện triển khai thực tế.
Theo đề án xử lý nước thải do TS Nguyễn Phước Hòa đề xuất, nước thải sinh
hoạt từ các khu tập thể và làm việc được bơm gom tập trung về một địa điểm chung (dự
kiến tại khu gần sân vận động và đường PhạmVăn Đồng) và được xử lý theo cơng nghệ
tổng hợp hiếu khí kết hợp với kỵ khí (mơ hình 01). Do các họng xả nước thải của trường
quá phân tán nên việc bơm gom rất khó khăn và tốn kém. Việc xử lý tổng hợp tập trung
sẽ yêu cầu mặt bằng và thiết bị xử lý khá lớn nên tốn kém (chi phí ước tính gần 1.400
13


triệu đồng) nên khó triển khai trong mặt bằng thực tế hiện tại của trường. Với các nguyên
nhân trên nên đã qua nhiều thẩm định sơ bộ, đến nay dự án vẫn chưa được phê duyệt
triển khai.
Nhằm tháo gỡ bế tắc trong việc giải quyết nhiệm vụ cấp thiết trên, giữa năm 2008
PGS.TS Ngô Đăng Nghĩa (Viện CNSH&MT) đã đề xuất thiết kế và xây dựng hệ thống
xử lý nước thải di động với năng suất 200 m3/ ngày để duy chuyển xử lý nước thải khu

sinh hoạt các khu tập thể và phục vụ đào tạo ngành công nghệ mơi trường của Viện với
tổng chi phí 300 triệu đồng. Qua nghiên cứu đề xuất trên, tác giả đề tài nhận thấy:
- Năng suất quá nhỏ không đáp ứng được nhu cầu xử lý nước của hệ thống thực tế trong
trường( thể hiện trên bảng sau):
Bảng 1.3. Số lượng nước sạch sử dụng và nước thải thực tế trong trường
(Trung bình qua các tháng 5,6,7,8,9,10/2008- số liệu do phịng QTTT cung cấp)
Khu vực
Lượng
Lượng
Chú ý
nước sạch tiêu
nước thải
3
thụ (m )/ tháng
xả(m3)/ tháng
Khu KTX phía đơng
bắc và nhà ăn phục vụ
sinh viên

17.500

13.500

Khu giảng đường G7
và nhà tập thể giáo
viên
Khu hiệu bộ( đỉnh đồi
La San)

15.500

12.500

9.060

7.500

Khu thư viện xưởng cơ
khí KTX cao học và
KTTT

2.940

1.200

K1, K2
K3,
K4
K5
và nhà ăn

Dùng
tưới cây gần 900m3

- Do địa hình các khu KTX khá xa nhau và không bằng phẳng nên việc di chuyển hệ
thống sẽ khó khăn và kém khả thi vì gây phân tán mùi hơi của nước thải khi di chuyển.
Năm 2007, Hiệu trưởng đã phê duyệt cho khoa chế biến thực hiện đề tài KHCN cấp
trường: “Xây dựng mơ hình hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản phục vụ giảng
dạy”(mã số:TR2007-13-05) do Th.S Trần Văn Vương chủ trì. Đến nay đề tài đã hồn
thành và nghiệm thu. Qua tìm hiểu cơng nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp yếm khí

14


tùy nghi ATP do công ty môi trường Ninh Thuận đề xuất cho thấy: đây là công nghệ xử
lý nước thải khá đơn giản dựa trên hiệu quả hoạt động của tổ hợp vi sinh vật yếm khí
đặc hiệu chủng. Theo công nghệ ATP, nước thải được trộn chung với vi sinh (P.MET)
trong bể điều hòa, được tổ hợp các vi sinh vật xử lý trong bể xử lý sinh học (phân hủy
các chất thải trong mơi trường yếm khí hạn chế), lọc cặn ở bể lọc sinh học và đạt tiêu
chuẩn bảo vệ môi trường tại bể thu nước sau xử lý. Vấn đề quyết định nước xử lý là:
chất lượng của chất vi sinh (P.MET), chất lượng hòa trộn đều và đúng liều lượng của
P.MET vào nước thải và thời gian xử lý nước thải sau khi pha trộn với chất vi sinh. Do
vi sinh vật của tổ hợp hoạt động tốt trong điều kiện nghèo oxy (yếm khí) nên khi áp
dụng cơng nghệ này sẽ khơng cần sục khí phức tạp như cơng nghệ xử lý hiếu khí và có
thể tận dụng hệ thống dẫn nước thải để làm bể xử lý sinh học mà không cần bể chứa như
các phương án khác. Với mục đích xây dựng được hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt
phù hợp với thực tế sử dụng của nhà trường và đạt hiệu quả cao nhất, nhà trường đã
nghiên cứu áp dụng công nghệ xử lý nước thải từ nguồn bằng biện pháp yếm khí tùy
nghi (do Cơng ty mơi trường Ninh Thuận đề xuất) để xử lý nước thải sinh hoạt trong
trường để tận dụng nước thải sau khi xử lý tưới cây và đạt tiêu chuẩn thải ra hệ thống
thoát nước chung của Tp Nha Trang. Trường Đại học Nha Trang đã tiến hành đề tài:
Xây dựng và thử nghiệm phương án xử lý nước thải sinh hoạt để tái sử dụng trong
trường đại học Nha Trang. Đề tài đã thử nghiệm thành công hệ thống xử lý nước thải
sinh hoạt tại Trường Đại học Nha Trang.
1.2.2. Quy trình xử lý nước thải của Trường Đại học Nha Trang

1.2.2.1. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của trường Đại học Nha Trang

15

Bình định lượng chất
xử lý sinh học

Nước thải từ các
phịng KTX và
làm việc

Bể thu nước
thải và điều hịa

Bình định lượng
chất xử lý sinh học

Hệ thống
xử lý cấp
1

Nước thải chưa đủ
tiêu chuản thải

Bể
xử lý cấp 2

Nước thải đủ tiêu
chuản thải
Bể thu nước
sau xử lý
sinh học

Bể lọc sinh
học (lọc và
làm cặn)

Đưa đi tưới cây

Hình 1.3. Sơ đồ quy trình xử lý nước thải sinh hoạt Trường Đại học Nha Trang

1.2.2.2. Thuyết minh quy trình
Nước thải từ các nhà ở (hoặc làm việc) qua song chắn rác được chảy về hố thu
và bể điều hòa nước thải. Hố thu và điều hòa được xây dựng cho từng nhà có xả nước
thải. Tại đây nước thải được hòa trộn đều và đúng tỉ lệ với chê phẩm sinh học (P. met)
và tự chảy vào hệ thống yếm khí nhờ sự chênh lệch về cột áp nên nước tự động được
đẩy đi, tại vị trí cấp chế phẩm thì vi sinh được đưa vào hệ thống yếm khí để xử lý một
phần nước thải theo hệ thống zic zac. Thời gian nước đi trong hệ yếm khí là tùy thuộc
vào mức độ và khả năng xử lý của vi sinh. Trong các ống dẫn, nước thải sẽ được xử lý
sinh học (cấp 1) để tạo thành nước “sạch” đạt tiêu chuẩn tưới cây hoặc xả vào hệ thống
chung của thành phố. Hệ thống đường ống nước thải hiện có của Trường sẽ được cải tạo
hợp lý để giảm tốc độ chảy và tăng thời gian xử lý sinh học nước thải. Cuối hệ thống
ống thoát nước thải của các khu, nước thải sẽ được gom vào bể lọc sinh học (thực chất
là bể lắng cặn và chứa nước sau xử lý cấp 1. Sau khi nước được xử lý yếm khí thì nước

16


sẽ vào bể hiếu khí qua ống dẫn. Tại bể xử lý hiếu khí sẽ xảy ra 2 q trình là sục khí và
lọc sinh học qua các giá thể, ở đây nước được xử lý triệt để về mùi và nồng độ các chất
bẩn nhờ các vi sinh vật hiếu khí hoạt động mạnh. Sau đó nước sau khi xử lý sẽ theo ống
dẫn đi ra bể lắng và bể chứa. Sau khi xử lý nước thải tại đây đã đạt tiêu chuẩn tưới cây
và tiêu chuẩn xả thẳng vào hệ thống nước thải chung của thành phố. .Khi lưu lượng nước

sau xử lý cấp 1 vượt quá nhu cầu tưới cây cho khu vực, nước thải này sẽ tràn qua bể
chứa và chảy vào hệ thống xả thải chung. Nếu nước thải tại đây chưa đủ tiêu chuẩn sẽ
được xử lý tiếp (cấp 2) để đạt được tiêu chuẩn tưới cây và hòa chung vào hệ thống nước
thải của thành phố. Sau khoảng thời gian hoạt động dài, các vi sinh vật sẽ tồn tại nhiều
trên hệ thống, khi đó cần thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh lại tỉ lệ trộn chất xử lý
sinh học cho phù hợp và tiết kiệm. Theo qui trình xử lý này, công nhân vận hành hệ
thống chỉ cần hàng ngày kiểm tra và bổ sung chất xử lý sinh học vào bể xử lý và định kì
lấy mẫu nước để kiểm tra đánh giá chất lượng nước thải thu được.
+ Ưu điểm:
✓ Kết cấu đơn giản
✓ Các thiết bị phụ trợ không phức tạp
✓ Chất lượng nước đạt yêu cầu đặt ra
✓ Phù hợp với yêu cầu áp dụng vào để xử lí cho trường
✓ Tháo lắp và bảo quản đơn giản
✓ Ít tạo bùn
+ Nhược điểm:
✓ Chưa chế được hệ thống tiếp Pmet và Pont clean định kì
✓ Chưa tách riêng hệ thống nước thải khỏi hệ thống xả nước mưa phù hợp với cơng
nghệ xử lý yếm khí tùy nghi đã chọn.
✓ Giá thành xử lý còn cao do chưa tạo ra được chế phẩm vi sinh để bổ sung vào hệ
thống xử lý nước thải của Trường, chưa chủ động trong xử lý.
1.3. Một số phương pháp xử lý nước thải
1.3.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học
Trong nước thải thường có các loại tạp chất rắn với kích cỡ khác nhau như bao
bì chất dẻo, giấy, vải vụn, cát, sỏi, ... ngồi ra cịn có các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù
rất khó lắng. Tùy theo kích cỡ, các hạt huyền phù được chia thành hạt chất rắn lơ lửng

17

có thể lắng được. Một số biện pháp cơ học thường được sử dụng trong xử lí nước thải
như: Song chắn rác, lưới lọc, các bể lắng cát...[11].
1.3.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý và hóa học
Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các q trình hóa lí
diễn ra giữa chất bẩn với hóa chất cho thêm vào. Một số phương pháp thường dùng như:
phương pháp trung hòa, keo tụ, hấp phụ, tuyển nổi, trao đổi ion hay phương pháp khử
khuẩn [11].
1.3.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Xử lí nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi
sinh vật và chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Dưới tác dụng
của vi sinh vật các chất hữa cơ gây nhiễm bẩn được khống hóa và trở thành những chất
vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân hủy được tất cả các
chất hữu cơ có trong tự nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân
hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc vào các chất hữu cơ, độ hòa tan trong nước và các
yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và
một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Sự sinh sản và phát
triển của vi sinh vật làm sạch các chất hữu cơ hòa tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ.
Phương pháp sử lý sinh học giúp khử các các chất sulfit, muối amin, nitrat... các chất
chưa bị oxy hóa hồn tồn. Sản phẩm của các q trình phân hủy này là khí CO2, nước,
khí N2, ion sulfat,...
Ngày nay, việc xử lí nước thải bằng phương pháp cơ học và hóa học ngày càng
ít được áp dụng do ảnh hưởng đến mơi trường (dư lượng hóa chất còn nhiều trong đất,
nước sau thời gian sử dụng). Do đó, phương pháp sinh học đang được đánh giá cao do
những ưu điểm của nó mang lại.
Q trình xử lý sinh học thường bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn xử lý hiếu khí
và giai đoạn xử lý kỵ khí [10].
Q trình xử lý hiếu khí
Là q trình làm sạch nước thải sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy các
chất hữu cơ trong nước thải có oxy hòa tan [13].
Nguyên lý chung: Là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để

đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục cho chúng và duy trì ở
18


20÷400C. Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong mơi trường
như các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo và phân tử nhỏ sẽ được chuyển hóa bằng cách
hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào vi sinh vật. Tiếp theo là giai đoạn
khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào qua màng
bán thấm. Các chất vào trong tế bào dưới tác động của hệ enzym nội bào sẽ được phân
hủy. Quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong tế bào chất của tế bào sống là các
phản ứng oxy hóa khử, có thể biễu diễn dưới dạng tổng quát như sau:
- Quá trình oxy hố (dị hóa): Phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các chất
đơn giản và đồng thời giải phóng năng lượng.
(COHNS) + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng
- Quá trình tổng hợp (đồng hóa): Tổng hợp các chất hữu cơ phức tạp từ các chất
đơn giản và đồng thời tích lũy năng lượng.
(COHNS) + O2 + VK hiếu khí + năng lượng → C5H7NO2 (tế bào vi khuẩn mới) +...
Sự oxy hóa các chất hữu cơ và một số chất khoáng trong tế bào vi sinh vật nhờ
vào quá trình hơ hấp. Nhờ năng lượng do vi sinh vật khai thác trong q trình hơ hấp
mà chúng có thể tổng hợp các chất để phục vụ cho quá trình sinh trưởng và phát triển.
Kết quả số lượng tế bào vi sinh vật không ngừng được tăng lên.
* Điều kiện thực hiện quá trình xử lý:
- Đảm bảo liên tục cung cấp oxy, hàm lượng O2 hòa tan trong nước ra khỏi bể
lắng đợt hai không nhỏ hơn 3 mg/l.
- Nồng độ các chất dinh dưỡng cho vi sinh vật phải đầy đủ.
- Nồng độ các chất hữu cơ cho phép quá trình lên men.
- Nồng độ cho phép của các chất độc hại.
- pH thích hợp.
- Nhiệt độ nước thải trong khoảng hoạt động của vi sinh.
* Vi sinh vật lên men phân hủy hữu cơ: gồm 3 nhóm vi sinh vật:

- Nhóm vi sinh vật phân hủy các hợp chất mạch hở, rượu, axít, anđehit, xeton.
- Nhóm vi sinh vật phân hủy các hợp chất thơm: benzen, phenol, toluen,…
- Nhóm vi sinh vật oxy hóa: dãy polimetyl (hiđrocacbon dầu lửa), parafin.
Việc xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí có rất nhiều hạn chế như: chỉ xử
lý được nước thải có mức độ ơ nhiễm thấp, chi phí vận hành cho xử lý cao (tiền điện và
hóa chất bổ sung), tính ổn định của hệ thống khơng cao, tạo ra nhiều bùn thải.
19


Q trình yếm khí [10, 13]
Là q trình phân hủy các chất khác nhau nhờ vi sinh vật trong điều kiện khơng
có oxy. Q trình phân hủy các chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ hàng trăm phản ứng và
sản phẩm trung gian.
Chất hữu cơ

CH4 + CO2 + H2+ NH3 + H2S

Q trình thủy phân yếm khí được chia làm 4 giai đoạn:
•

Giai đoạn thủy phân

•

Giai đoạn acid

•

Giai đoạn acetat hóa

•

Giai đoạn sinh methan

Giai đoạn thủy phân: Dưới tác dụng của các enzyme hydrolase ngoại bào của các vi
sinh vật, các chất hữu cơ như chất béo, carbonhydrat (chủ yếu là cellulose và tinh bột),
protein bị phân hủy và chuyển hóa thành các hợp chất hưu cơ đơn giản dễ tan trong
nước như như đường đơn, peptid, glycerol, acid béo, acid amin….
Giai đoạn acid: Những chất được tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn, để được
vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Các đường đơn, acid amin, acid béo
mạch dài tạo thành các acid hữu cơ, alcohols, acid lactic, CO2, H2, NH3, H2S
Giai đoạn acetat hóa: Trong giai đoạn này các chất hữu cơ tiếp tục được phân giải thành
các chất đơn giản hơn đó là: CH3COOH, H2, CO2,…
CH3CH2OH (Ethanol) + H2O

CH3COOH- + H+ +2H2

CH3CH2COO- (Propionic) + 3H2O

CH3COO- + HCO3- + 2H + + 3H2O

CH3(CH)2COO- (Butynic) + 2H2O

CH3COO- + 2H+ + 2H2

Giai đoạn sinh methan: Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong tồn bộ q trình. Dưới
tác dụng của các vi sinh vật sinh methan, các acid hữu cơ và các hợp chất đơn giản khác
ẽ chuyển hóa thành CH4, CO2, O2, H2S,…Sự tạo thành khí methan xảy ra theo 2 cách:
- CO2 bị khử thành CH4
- Các acid hữu cơ biến thành CH4 theo phản ứng sau:

R- COOH

R1COOH

CH3COOH

CH4 + CO2

Các nhóm vi sịnh vật sinh tham gia vào q trình chuyển hóa trên:
Nhóm 1: Các vi sịnh vật Hidrogenotrophe methanogen sử dụng hydro, carbonic và
formic để chuyển hóa thành khí methan, chúng không tạo methan từ acid hữu cơ. Lượng
methan tạo ra khoảng 30%.
20


CO2 + 4H2O
hoặc

HCOOH

CH4 + H2O
H2 + 4CO2

CH4 + 3CO2 + 2H2O

Nhóm 2: Các vi sinh vật Acetotrophe methanogen chuyển hóa acid acetic thành CH4 và
CO2. Khoảng 70% lượng methan được tạo ra
CH3COOH

CH4 +CO2

Nhóm 3: Các vi sinh vật Methylotrophe methangen phân giả các chất chứa nhóm methy.
Một lượng CH4 khơng đáng kể được tạo thành
CH3OH + CH3HO
HCOOH

CH4 + HCOOH

+ H2

H2 + CO2

2CH3OH

+ H2

2CH4

+ 2H2O

4 CH3OH

+H2

2CH4 + CO2

2H2O

Nhóm 4: Một số loại vi sinh vật khác có khả năng sử dụng các acid hữu cơ Acid Butylic
2CH3CH2CH2COOH + CO2 + H2

2CH3CH2COOH + 2CH3COOH + CH4

hoặc Acid Propionic
4CH3CH2COOH + 2H2O

4CH3COOH + 2CO2 + 2CH4

Sự phân chia thành các giai đoạn của quá trình lên men kỵ khí sinh methan chỉ là
quy ước, vì trong thực tế tồn bộ các q trình hóa học của cả 3 giai đoạn hoạt động
cung một lúc và đồng bộ với nhau, khi đó tồn bộ hệ thống đạt được trạng thái cân bằng
và pH luôn giữ ở trung tính.

21


Các chất hữu cơ cao phân
tử

76%
Acid hữu cơ

4%

20%

24%

52%

H2

Acid acetic

72%

28%
NH4

Hình 1.2. Sơ đồ thủy phân trong mơi trường yếm khí
Sơ đồ chỉ mang ý nghĩa tượng đối vì khơng phải tất cả các hợp chất hữu cơ được
chuyển hóa thành CH4 mà còn nhiều hợp chất hữu cơ tồn tai trong những sản phâm trung
gian và một phần được chuyển thành các khí khác.
1.4. Vi sinh vật tham gia xử lý nước thải
Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải
bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp
thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ,
nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm
tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào.
Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc
tổng hợp. Dựa trên phương thức phát triển vi sinh vật được chia thành 2 nhóm: Các vi
sinh vật dị dưỡng: Sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon
để thực hiện các phản ứng sinh tổng hợp; Các vi sinh vật tự dưỡng: Có khả năng oxy
22


hố chất vơ cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh
tổng hợp. Ví dụ: các loại vi khuẩn nitrat hố, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt ... Bùn
hoạt tính cũng như màng sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau, chứa khoảng
70 - 90% chất hữu cơ; 10 ÷ 30% chất vơ cơ. Bùn hoạt tính là bơng màu vàng nâu dễ

lắng, có kích thước 3 ÷ 150μm. Những bông này bao gồm các vi sinh vật sống và cơ
chất rắn (40%). Những vi sinh vật sống bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số
nguyên sinh động vật, dòi, giun.Màng sinh vật phát triển ở bề mặt các vật liệu lọc có
dạng nhầy, dày từ 1 ÷ 3 mm hoặc hơn. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước
thải từ mầu xám đến nâu tối. Màng sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm
mốc, động vật nguyên sinh [13].
Muốn đưa bùn hoạt tính vào các thiết bị xử lý, cần thực hiện một quá trình để cho
loại bùn gốc ban đầu được ni dưỡng tạo thành loại bùn có hoạt tính cao và có tính kết
lắng tốt. Có thể gọi đó là q trình hoạt hóa bùn hoạt tính. Cuối thời kỳ này, bùn sẽ có
dạng hạt. Các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ vỡ ra khác nhau khi chịu
tác động của khuấy trộn. Bùn có nguồn gốc tốt nhất được lấy từ các cơ sở xử lý nước
thải đang hoạt động.
Trong hệ thống xử lý nước thải, vi khuẩn luôn chiếm ưu thế (90%). Vi khuẩn có
kích thước trung bình từ 0,3 ÷ 1 mm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có sự hiện diện của
vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn yếm khí. Một số vi khuẩn dị
dưỡng thơng thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes,
Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas, Zoogloea. (Jenkins, et al.,
1993). Hai nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm chuyển hóa amoni thành nitrát là vi khuẩn
Nitrobacter và Nitrosomonas.[13]
Bảng 1.3. Một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng của
chúng khi tham gia xử lý nước thải
Vi khuẩn

Chức năng

Pseudomonas

Phân hủy hiđratcacbon, protein, các chất hữu cơ,…và
khử nitrat.

Arthrobacter

Phân hủy hirocacbon

Bacillus

Phân hủy hirocacbon, protein

Cytophaga

Phân hủy các polymer

23


Zooglea

Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ.

Acinetobacter

Tích lũy poliphosphas, khử nitrat

Nitrosomonas

Nitrit hóa

Nitrobacter

Nitrat hóa

Sphaerotilus

Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ

Alkaligenes

Phân hủy protein, khử nitrat

Flavobacterium

Phân hủy protein.

Nitrococus denitrificans

Khử nitrát (thành N2)

Thiobaccillus denitrificans
Desulfovibrio

Khử sunfat, khử nitrat

1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình xử lý yếm khí [5, 10, 12, 13]
1.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có thể tác động đến hiệu quả xử lý nước thải theo nhiều hướng khác
nhau. Nó có thể tác động trực tiếp hay gián tiếp đến sinh khối vi khuẩn trong hệ thống
(Charley và cộng sự 1980).
* Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của các vi khuẩn
Theo nghiên cứu của Metcalf và Eddy năm 1991. Sự phát triển của các vi sinh
vật phục thuộc rất lớn bởi nhiệt độ. Nhiệt độ tăng hay giảm đều ảnh hưởng đến sự phát

triển và phân giải các chất của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình này là 350C. Ở
điều kiện ẩm nhiệt độ thích hợp 30–350C, nóng 50-550C. Khi nhiệt độ lớn hơn 60oC thì
khả năng phát triển giảm đột ngột và quá trình lên men bị kìm hãm hồn tồn ở nhiệt độ
trên 650C.
Trong khoảng nhiệt độ thích hợp cho q trình phát triển của vi sinh vật nhiệt độ
tăng thì tốc độ phát triển của vi sinh vật tăng. Nhiệt độ thích hợp đối với một vi sinh vật
có thể thay đổi khi có sự thay đổi của pH [5].
Nhóm các vi sinh vật yếm khí có 3 vùng nhiệt độ thích hợp cho sự phân hủy các
hợp chất hữu cơ:
+ Vùng nhiệt độ cao: 45 - 650C (thermophilic).
+ Vùng nhiệt độ trung bình: 20 – 450C (mesophilic).
+ Vùng nhiệt độ thấp: dưới 200C (psychrophilic).
24