Nghiên cứu xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải hồ nuôi tôm bằng phương pháp vi sinh ở qui mô pilot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HỒ HUY TÙNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT
CHỨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI HỒ NUÔI
TÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH Ở
QUY MƠ PILOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA VƠ CƠ

Bình Định – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

HỒ HUY TÙNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT
CHỨA NITƠ TRONG NƯỚC THẢI HỒ NUÔI
TÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH Ở
QUY MƠ PILOT
LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA VƠ CƠ

Chun ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8440113
Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Thanh Thúy

Bình Định – Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứa của riêng tôi. Các
số liệu, kết quả trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kì cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện
Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận
văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Bình Định, tháng 7 năm 2019
Học viên

Hồ Huy Tùng


LỜI CẢM ƠN
Sau quá trình học tập, nghiên cứu và nỗ lực của bản thân, Em đã
hoàn thành cuốn luận văn của mình với đề tài: “Nghiên cứu xử lý các
hợp chất chứa nitơ trong nước thải hồ nuôi tôm bằng phương pháp
vi

sinh ở quy mơ pilot” tại phịng thí nghiệm Tổng hợp vô cơ, thuộc

khoa Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn.
Để hoàn thành cuốn luận văn này, bên cạnh sự nỗ lực của bản
thân, Em còn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cơ giáo, các
Anh, Chị và Bạn bè trong khoa Hóa học. Trước hết Em xin bày tỏ lịng
kính trọng, lịng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến Cô giáo
TS. Lê Thị Thanh Thúy, người đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ và chỉ bảo Em trong suốt q trình hồn thành cuốn luận văn này.

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô tại phịng thí nghiệm Hóa
mơi trường, Hóa kỹ thuật, Hóa vơ cơ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận
lợi để Em hoàn thành cuốn luận văn này.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn bố mẹ, anh chị, gia đình và bạn
bè đồng nghiệp những người luôn động viên, chia sẻ mọi khó khăn trong
suốt q trình học tập và thực hiện luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng những hạn chế về thời gian, kinh
nghiệm cũng như kiến thức, trình độ nên khơng thể tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cơ để đề tài có
hướng tiến bộ vươn xa hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Bình Định, tháng 7 năm 2019
Học viên
Hồ Huy Tùng


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU...................................................................................................................
1.

Lí do chọn đề tài .........................................................................................

2.

Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................

3.

Mục tiêu đề tài ............................................................................................

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...............................................................

4.1

Đối tượng nghiên cứu: ..................................................................

4.2

Phạm vi nghiên cứu: .....................................................................

5.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................

5.1. Nghiên cứu lý thuyết ...........................................................................................
5.2. Nghiên cứu thực nghiệm .....................................................................................
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................

6.1

Ý nghĩa khoa học...........................................................................

6.2

Ý nghĩa thực tiễn ..........................................................................

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................................
1.1

Sự ô nhiễm môi trường nước ........................................................

1.2

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.................................

1.2.1 Điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học .......................................................
1.2.2 Các quá trình sinh học chủ yếu dùng trong xử lý nước thải ...............................
1.2.3 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải ............................................
1.2.4 Khử nitơ trong nước thải bằng biện pháp sinh học ...........................................


1.3

Xử lý nước thải bằng phương pháp màng sinh học ......................

1.3.1

Khái niệm về màng sinh học .....................................

1.3.2

Đặc điểm màng sinh học............................................

1.3.3

Quá trình tạo màng sinh học ......................................

1.3.4

Cơ chế xử lý qua màng ..............................................

1.4

Các giai đoạn sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật ................

1.5

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của vi sinh vật ...............

1.5.1

Nồng độ các tạp chất hữu cơ .....................................

1.5.2

Ảnh hưởng của kim loại nặng ...................................

1.5.3

Ảnh hưởng của các anion ..........................................

1.5.4

Một số yếu tố khác ....................................................

1.6

Những thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước .......................

1.6.1

Độ pH ........................................................................

1.6.2

Hàm lượng các chất rắn .............................................

1.6.3

Màu sắc ......................................................................

1.6.4

Độ đục .......................................................................

1.6.5

Oxi hòa tan (DO – Dissolve oxigen) .........................

1.6.6

Chỉ số BOD (nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical ox

1.6.7

Chỉ số COD (nhu cầu oxi hóa học – chemical oxigen

1.6.9

Hàm lượng photpho ...................................................

1.6.10 Hàm lượng sunfat ..........................................................................................
1.6.11 Chỉ số vệ sinh (E.coli) ...................................................................................
1.7

Chất thải từ hoạt động nuôi tôm ...................................................

1.8

Kỹ thuật xử lý nước thải nuôi tôm bằng vi sinh vật .....................

1.8.1

Giới thiệu về công nghệ MBBR.................................

1.8.2

Giới thiệu về công nghệ SBR ....................................

CHƯƠNG 2. PHẦN THỰC NGHIỆM .................................................................

2.1

Giới thiệu hệ thống thiết bị xử lý nước thải hồ nuôi tôm bằng phư

pháp sinh học ...........................................................................................................
2.1.1

Sơ đồ cấu tạo của thiết bị ...........................................

2.1.2

Nguyên lý hoạt động của thiết bị ...............................

2.1.3

Ưu điểm của hệ thống thiết bị ...................................

2.1.4. Thực nghiệm xử lý nước thải ni tơm ...........................................................
2.2

Q trình ni cấy và tạo màng vi sinh trên vật liệu ....................

2.2.1

Lựa chọn vật liệu lọc làm chất mang .........................

2.2.2

Q trình ni cấy và tạo màng vi sinh trên vật liệu x

2.3

Qui trình lấy mẫu nước thải ..........................................................

2.3.1

Dụng cụ đựng và lấy mẫu ..........................................

2.3.2

Điểm lấy mẫu ............................................................

2.3.3

Cách lấy mẫu .............................................................

2.4

Phương pháp phân tích .................................................................

2.4.1

Xác định chỉ tiêu pH ..................................................

2.4.2

Xác định tổng chất rắn lơ lửng (TSS) ........................

2.4.3

Xác đinh amoni bằng phương pháp Nessler ..............

2.4.4

Xác định nitrit bằng phương pháp đo quang với thuố

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................
3.1

Kết quả quá trình ni cấy và tạo màng vi sinh trên vật liệu xốp .

3.2

Hình ảnh xử lý nước thải ni tơm trên hệ pilot theo quy trình SB

3.3 Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải nuôi tôm kết hợp phương pháp

hiếu khí và thiếu khí ở nhiệt độ phịng (28oC) ..........................................................
3.3.1
Sự thay đổi pH trong quá trình xử lý theo thời gian ..
3.3.2

Sự thay đổi TSS trong quá trình xử lý theo thời gian

3.3.3

Sự thay đổi nồng độ NH4+ trong quá trình xử lý theo

28oC

....................................................................................


3.3.4 Sự thay đổi nồng độ NO2- theo thời gian ở 28oC................................................................ 54
3.4 Kết quả so sánh quá trình xử lý chất chứa nitơ trong nước thải nuôi
tôm theo kỹ thuật KT1 và KT2................................................................................................................ 55
3.5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý sinh
học nước thải nuôi tôm................................................................................................................................. 57
3.5.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình xử lý amoni.................................................... 58
3.5.2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ nitrit..................................................................... 59
3.6 Động học của quá trình phân hủy sinh học các hợp chất chứa nitơ..............................60
KẾT LUẬN....................................................................................................................................................... 65
1. Kết luận........................................................................................................................................................... 65
2. Kiến nghị........................................................................................................................................................ 65
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ.............................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................................... 67
PHỤ LỤC........................................................................................................................................................... 72


1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Nước chiếm đến ¾ diện tích bề mặt trái đất. Nước được xem là cội
nguồn của sự sống. Nước là môi trường sinh sống của nhiều loài động, thực
vật thủy sinh. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, gia tăng dân
số, biến đổi khí hậu đã làm cho nguồn nước bị ô nhiễm một cách nghiêm
trọng và trở thành vấn đề báo động tồn cầu.

Ni tơm ở Việt Nam đã phát triển mạnh và trở thành ngành kinh tế
quan trọng, tạo công ăn việc làm, tăng thu nhập cho hàng triệu người dân ven
biển và tạo nguồn thu ngoại tệ đáng kể cho đất nước thông qua xuất khẩu.
Hoạt động nuôi trồng thủy sản đạt khá, nhất là nuôi tôm nước lợ và cá tra. Sản
lượng thủy sản nuôi trồng năm 2017 đạt 3.835,7 nghìn tấn, tăng 5,2% so với
năm trước, trong đó cá đạt 2.694,3 nghìn tấn, tăng 4,2%; tơm đạt 723,8 nghìn
tấn, tăng 10,3%. Kim ngạch xuất khẩu tôm đạt 3,85 tỷ USD, tăng 22,3% so
với năm 2016. Diện tích ni thủy sản nước lợ là 1051,7 nghìn ha, diện tích
ni tơm nước lợ là 704,7 nghìn ha [9].
Tuy nhiên, nghề ni tơm Việt Nam nói chung và Bình Định nói riêng
đang phải đối mặt với nhiều thách thức, ảnh hưởng đến tính bền vững của
ngành. Đó là các tác động kinh tế, xã hội, môi trường của ngành nuôi tôm.
Hoạt động xả thải nguồn nước trong ao và bơm bùn đáy ao trong nuôi tôm
thâm canh và bán thâm canh ra kênh rạch tự nhiên mà không xử lý sẽ làm cho
hệ thống kênh rạch bị bồi lắng, môi trường nước tự nhiên bị ô nhiễm nghiêm
trọng. Chất thải từ hoạt động nuôi tôm (thức ăn thừa, phân tơm và q trình
chuyển hóa dinh dưỡng) chính là nguồn gốc chủ yếu của các chất gây ô nhiễm
ở các trại nuôi tôm quản lý kém. Các chất hữu cơ, nitơ và photpho là những
thành phần chủ yếu trong chất thải ni tơm. Nitơ trong nước thải có thể tồn


2

tại ở các dạng Nitơ hữu cơ, NH4+, NO2-, NO3-. Các hợp chất này có thể gây
một số bệnh nguy hiểm cho người sử dụng nguồn nước. Chẳng hạn như các
ion Nitrit có thể tác dụng với các amin hay ankylcacbonat trong cơ thể người
để tạo thành các hợp chất chứa Nitơ gây ung thư. Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy
cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ hoặc nước pha sữa, đứa trẻ trở nên xanh xao do
các mô không được tiếp tế đủ oxi. Như vậy việc loại bỏ các hợp chất trên ra
khỏi nước thải là vấn đề cần thiết. Có nhiều biện pháp xử lý, tuy nhiên

phương pháp sinh học là ưu thế hơn cả vì chúng có ưu điểm về kinh tế, kỹ
thuật và thân thiện với môi trường.
Trong những nghiên cứu gần đây cho thấy để xử lý nước thải nuôi tôm,
các nhà khoa học trên thế giới đã lựa chọn sử dụng công nghệ sinh học xử lý
nước thải vận hành tuần tự theo mẻ xử lý hiếu khí kết hợp thiếu khí
(Sequencing Batch Reactor - SBR) bởi những tính ưu việt của phương pháp
mang lại cho xử lý nguồn nước thải này [17], [20], [21], [22], [23], [25], [27].
Cụ thể phương pháp SBR có nhiều ưu điểm trong việc tách bùn, q trình
nitrat hóa có thể được thực hiện nhờ vi sinh vật hiếu khí và khử nitrat hóa
được thực hiện bởi q trình thiếu khí [17], [31]. Khi hệ SBR hoạt động hiếu
khí, q trình nitrat hóa đã giúp chuyển hóa amoni thành nitrat, điều này giúp
làm giảm lượng amoni trong nước thải. Khi hệ vận hành trong điều kiện thiếu
oxy, xảy ra sự khử nitrat hóa và lượng nitrat trong bùn được chuyển thành
nitrit, nitơ oxit và khí nitơ. Kết quả là nitrat đã được loại bỏ hoàn toàn.
Xuất phát từ những thực tế trên chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu
xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải hồ nuôi tôm bằng phương
pháp vi sinh ở quy mơ pilot”.
2.
Ơ

Tổng quan tình hình nghiên cứu
nhiễm nitơ chiếm tỷ lệ lớn (30 – 40%) từ thức ăn thừa. Việc cho thức

ăn q nhiều, tính chất nguồn nước khơng ổn định, thức ăn dễ tan, thức ăn


3

khó hấp thu và khả năng duy trì nitơ… là những yếu tố liên quan với nước
thải có chứa nhiều nitơ. Người ta ước lượng rằng, có khoảng 63–78% nitơ cho

tơm ăn bị thất thốt vào mơi trường.
Nitơ dưới dạng protein được tôm hấp thu và bài tiết dưới dạng amoniac.
Có một số lồi vi sinh vật có khả năng sử dụng các chất hữu cơ, chất khống
hịa tan và khơng hịa tan từ phân tơm, các thức ăn thừa tích tụ đáy ao ni
làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng, sinh trưởng nhờ vậy sinh khối của
chúng tăng lên, tạo được sự ổn định, duy trì chất lượng nước và cả màu nước
trong ao hồ nuôi.
Công nghệ xử lý nước thải SBR (Sequencing Batch Reactor) là bể xử lý
nước thải theo phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên
tục, diễn ra trong cùng một bể. SBR đã được nghiên cứu từ những năm 1920
và được sử dụng ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở Châu Âu và Trung
Quốc, Hòa Kỳ, họ đang áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị và
nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong những khu vực đặc trưng có lưu
lượng nước thải thấp và biến động. Các khu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ
mát và một số ngành công nghiệp như sản xuất sữa, bột giấy đang sử dụng
công nghệ SBR để xử lý nước thải. Qua nghiên cứu đã cho thấy amoni và một
số hợp chất hữu cơ có mặt trong nước ni trồng thủy sản dễ bị chuyển hố
bởi vi sinh vật nên phù hợp với phương pháp này, việc sử dụng công nghệ này
sẽ giúp giảm thiểu các chất gây ô nhiễm như amoniac, nitrat, nitrit, cacbon ở
hàm lượng lớn, giảm thiểu lượng bùn và các chất rắn lơ lửng nhờ vào sự kết
hợp quá trình xử lý hiếu khí và thiếu khí. Q trình xử lý hiếu khí xảy ra sự
nitrat hóa đã giúp chuyển hóa amoni thành nitrat, điều này giúp làm giảm hàm
lượng amoni. Hàm lượng COD cũng giảm đáng kể ở giai đoạn này. Với q
trình xử lý thiếu khí đã xảy ra sự khử nitrat hóa và lượng nitrat trong bùn
được chuyển thành nitrit, nitơ oxit và khí nitơ [10], [21], [22], [31].


4

3.

Mục tiêu đề tài
thải

Xây dựng được hệ thống pilot và ứng dụng pilot để xử lý nước

nuôi tôm theo phương pháp vi sinh.
-

Nghiên cứu xử lý các hợp chất chứa nitơ trong nước thải nuôi tôm

nước lợ bằng phương pháp sinh học
-

Nghiên cứu tạo những điều kiện tối ưu trong ni cấy vi sinh hiếu khí

và thiếu khí trên vật liệu xốp
Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu nước
thải
ni tơm
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1 Đối tượng nghiên cứu:
Đề tài tập trung xây dựng hệ thống pilot xử lý. Nghiên cứu các điều
kiện tối ưu trong q trình ni cấy vi sinh và điều kiện xử lý nước thải trên
hệ pilot.
4.2 Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ và hợp chất chứa nitơ trong nước thải
nuôi tôm nước lợ ở qui mơ pilot trong phịng thí nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu lý thuyết

Thu thập tài liệu về các nghiên cứu có liên quan đến hướng của
đề tài.
-

Tìm hiểu các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh

hiện nay
-

Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước.

-

Ứng dụng các phương pháp phân tích trong thực nghiệm.

-

Sử dụng cơng cụ tốn học để xử lý số liệu thực nghiệm.

5.2. Nghiên cứu thực nghiệm


-

Thiết kế và xây dựng pilot xử lý nước thải


5

-

-

Xác định pH bằng máy đo pH

-

Xác định hàm lượng chất rắn lơ lửng TSS

-

Xác định amoni bằng phương pháp Nessler

-

Xác định nitrit bằng phương pháp đo quang với thuốc thử Griss

-

Tìm các điều kiện tối ưu để ni cấy vi sinh

tơm

Tìm các điều kiện tối ưu trong q trình xử lý nước thải nuôi

Theo dõi sự thay đổi nồng độ của các chất gây ô nhiễm như chất hữu

cơ, các hợp chất chứa nitơ theo thời gian từ đó tìm ra quy luật biến đổi của
chúng trong quá trình xử lý.
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6.1 Ý nghĩa khoa học
Xử lý hàm lượng hợp chất chứa nitơ và chất hữu cơ gây ô nhiễm bằng
phương pháp màng lọc sinh học thân thiện với mơi trường và ít tốn kém.

6.2 Ý nghĩa thực tiễn
-

Kết quả nghiên cứu đã tìm ra được các vật liệu mới làm chất mang

để tạo màng sinh học.
-

Kết quả nghiên cứu làm phong phú thêm về các hệ thống xử lý

nước thải trong thực tế sản xuất.


6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Sự ô nhiễm môi trường nước
Nước là mơi trường sinh sống của nhiều lồi động, thực vật thủy sinh.
Cùng với q trình phát triển cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện
nay, vấn đề cung cấp nước sạch, bảo vệ môi trường và xử lý nước thải ngày
càng được quan tâm. Do tác động của các hoạt động công nghiệp, nông
nghiệp, sinh hoạt… mà nguồn nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác
nhau, kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Vấn đề ơ nhiễm nguồn

nước ở Việt Nam đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Thông qua
các phương tiện truyền thơng, chúng ta có thể dễ dàng thấy được các hình
ảnh, cũng như các bài báo phản ánh về thực trạng môi trường hiện nay. Mặc
dù các ban ngành, đoàn thể ra sức kêu gọi bảo vệ mơi trường, bảo vệ nguồn
nước,... nhưng có vẻ là chưa đủ để cải thiện tình trạng ơ nhiễm ngày càng trở
nên trầm trọng hơn. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng nước dưới tác
động của con người bao gồm [5]:
-

Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm H2SO4, HNO3.

Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như Pb,

Cd, Hg, As, … và cả các anion PO43-, NO3-, NO2-…
-

Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng

đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và các chất thải rắn.
-

Tăng hàm lượng các chất hữu cơ, nhất là các chất dễ bị phân hủy sinh

học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu).
-

Giảm nồng độ oxi hịa tan trong nước tự nhiên do các q trình oxi

hóa liên quan tới q trình phú dưỡng và khống hóa các hợp chất hữu cơ…
-

Tăng độ đục của nước, tăng khả năng nguy hiểm của nước tự nhiên do

các nguyên tố phóng xạ.


7

Như vậy, nguồn nước được xem như là sự sống của trái đất nhưng lại
đang bị con người làm ô nhiễm và hủy hoại một cách nghiêm trọng. Một phần
nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường nước là do q trình ni tơm của
người dân Việt Nam hiện nay mang tính chất nhỏ lẻ theo kiểu hộ gia đình,
chưa có những khu cơng nghiệp tập trung ni tơm để từ đó có những hệ
thống thu gom nước thải ni tơm cho việc xử lý nước [1]. Ơ nhiễm nitơ
chiếm tỷ lệ lớn (30 – 40%) từ thức ăn thừa. Người ta ước lượng rằng, có
khoảng 63–78% nitơ cho tơm ăn bị thất thốt vào mơi trường. Nitơ dưới dạng
protein được tôm hấp thu và bài tiết dưới dạng amoniac. Tổng khối lượng nitơ
sản sinh trên 1 ha trại nuôi tơm bán thâm canh có sản lượng 2 tấn, tương ứng
khoảng 113 kg và 43 kg. Ðương nhiên, trong hệ thống ni thâm canh thì
khối lượng này tăng gấp từ 7 – 31 lần [7]. Chúng ta cũng chưa có những biện
pháp kỹ thuật hiệu quả để xử lý tốt nước thải nuôi tôm, đặc biệt là nuôi tôm
trong môi trường nước lợ. Do đó, vấn đề xử lý nước thải nói chung đang trở
thành vấn đề mang tính cấp thiết ở hiện tại và cả trong tương lai.
1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải. Điển hình là
phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học. Phương pháp xử lý
sinh học đang được đánh giá cao và là sự lựa chọn hàng đầu được đưa vào để
xử lý nước thải vì chúng có nhiều ưu điểm về kinh tế, kỹ thuật và thân thiện
với môi trường. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả
năng sống, hoạt động của vi sinh vật (VSV) để phân hủy các chất bẩn hữu cơ

trong nước thải. Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng
làm nguồn thức ăn. Nguồn dinh dưỡng từ thức ăn giúp vi sinh vật xây dựng tế
bào, sinh trưởng và tạo sinh khối. Đối với nước thải có chứa tạp chất vơ cơ thì
phương pháp sinh học giúp loại bỏ các hợp chất sunfit, muối amoni, nitrit,


8

nitrat, photphat… Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa sẽ là
khí cacbonic, nước, khí nitơ, ion sunfat… [4], [12]
Trong công nghệ xử lý nước thải bằng sinh học thì q trình ni cấy vi
sinh là q trình quan trọng nhất vì nó đóng vai trị quyết định trong việc xử
lý các chất ô nhiễm trong nước thải như COD, BOD, tổng nitơ , tổng photpho,
… nhờ các loại vi sinh vật khác nhau có trong nước thải: Vi sinh vật hiếu khí
xử lý BOD, COD; Sinh vật yếm khí và thiếu khí xử lý tổng N, tổng P. Để thực
hiện tốt quá trình này thì việc nghiên cứu kỹ nguồn nước và những đặc trưng
của nước thải cần xử lý sẽ giúp chúng ta đưa ra một phương pháp sinh học tối
ưu cho nước thải cần xử lý [10], [2].
1.2.1 Điều kiện nước thải đưa vào xử lý sinh học
Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ có trong nước thải để tạo năng
lượng và tăng sinh khối. Do vậy, điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là
nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật để chúng phân hủy
các chất hữu cơ có trong nước thải. Các loại nước thải chứa những hợp chất
hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sinh học như hidratcacbon, các dạng chất béo,
protein, các hợp chất chứa nitơ từ quá trình phân hủy protein cùng một số chất
vô cơ như H2S, các muối sunfit, amoniac và các hợp chất chứa nitơ khác thì
thích hợp để xử lý bằng phương pháp sinh học.
Để cho quá trình phân hủy sinh học xảy ra thuận lợi thì nước thải cần
đạt những u cầu sau:
-

Khơng có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật

trong nước thải. Trong số các chất độc phải chú ý đến hàm lượng ion kim loại
nặng có trong nước thải.
Nước thải đưa vào xử lý sinh học có 2 thông số đặc trưng là
COD và
BOD. Tỉ số của hai thông số này phải là: COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥
0,5 phù hợp với xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu giá trị COD lớn BOD nhiều


9

lần, trong đó có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì cần
phải xử lý sinh học kị khí trước khi xử lý hiếu khí [6]
-

Giá trị pH từ 6,5 đến 8,5 là giá trị pH tối ưu cho sự phát triển của vi

sinh vật. Nhiệt độ nước thải không được dưới 60C và không quá 380C.
-

Nguồn cacbon trong các hợp chất hữu cơ là cơ chất dinh dưỡng và

năng lượng cho vi sinh vật. Các hợp chất hidratcacbon, protein, lipit hòa tan
là nguồn cơ chất rất tốt cho vi sinh vật. Bên cạnh đó N, P cũng là những
nguyên tố dinh dưỡng cần thiết đối với vi sinh vật.
-

Trong trường hợp xử lý hiếu khí cần phải đảm bảo cung cấp đủ, liên

tục oxi sao cho lượng oxi hòa tan trong nước (DO) phải không nhỏ hơn 2 mg/l
[4].
1.2.2 Các quá trình sinh học chủ yếu dùng trong xử lý nước thải
Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải có thể chia thành 4
nhóm q trình chủ yếu sau: q trình hiếu khí, q trình thiếu khí, q trình
trung gian và q trình ở ao, hồ. Các q trình sinh học trên lại có thể phân
chia thành các quá trình sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng dính bám tùy thuộc
vào các kiểu sinh trưởng của vi sinh vật.
1.2.2.1 Một số khái niệm được dùng trong quá trình sinh học xử lý nước
thải * Các quá trình hiếu khí (Aerobic process hay oxic process): các
q
trình sinh học xảy ra trong điều kiện có mặt oxi.
*

Các q trình kị khí hay yếm khí (Anaerobic process): các q trình

xử lý sinh học xảy ra trong điều kiện khơng có oxi.
*
Q trình thiếu khí hay thiếu oxi (Anoxic process): q trình
chuyển
hóa nitrat thành nitơ trong điều kiện khơng cấp thêm oxi từ ngồi vào. Q
trình này cịn được gọi là q trình khử nitrat kị khí.


10

*

Quá trình sinh học tuỳ tiện (Faculative process): là quá trình xử lý

sinh học trong đó quần thể sinh học có thể hoạt động trong điều kiện có oxi
hoặc khơng có oxi. Q trình này cịn gọi là q trình tự phát.
*

Quá trình sinh trưởng lơ lửng: vi sinh vật sinh sản và phát triển trong

các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học.
Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạt tính có vai trị phân hủy các chất hữu
cơ để xây dựng các tế bào mới và tạo thành các sản phẩm cuối cùng như CO2,
*

Quá trình sinh trưởng bám dính: trong q trình xử lý sinh học, các vi

sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ và phát triển thành màng
(biofilm) dính bám hay gắn kết trên vật liệu trơ như đá, gỗ, sành sứ, chất dẻo.
Q trình này cịn được gọi là q trình màng sinh học hay màng cố định, xảy
ra ở các cơng trình xử lý nước thải như lọc sinh học (biofilter), đĩa sinh học.
1.2.2.2 Các quá trình sinh học thường dùng trong xử lý nước thải
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu là dựa vào hoạt
động sống của các vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Các vi
sinh vật này sử dụng các chất hữu cơ có trong nước thải và một số khoáng
chất làm nguồn dinh dưỡng cho hoạt động sống của chúng và đồng thời các
chất hữu cơ này sẽ được phân giải thành hợp chất vô cơ đơn giản. Mục đích
của q trình này là khử các hợp chất chứa nitơ và BOD, COD.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể được phân loại như
sau:


11

Q trình hiếu khí

Q trình trung gian

Q trình kị khí
Q trình kết hợp hiếu
khí-trung gian-kị khí
Q trình ao hồ


12

+

Hồ tùy tiện

+

Hồ kị khí

1.2.3 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải
Các chất hữu cơ và chất khống có trong nước thải sẽ được vi sinh vật
sử dụng làm nguồn thức ăn để tạo năng lượng và tăng sinh khối, do đó các
chất hữu cơ sẽ bị phân hủy. Tùy thuộc vào cơ chế của quá trình phân hủy mà
người ta chia phương pháp xử lý sinh học thành 2 loại: quá trình xử lý sinh
học hiếu khí và q trình xử lý sinh học kị khí.
Theo quan điểm hiện đại nhất, q trình xử lý nước thải bằng phương
pháp sinh học là quá trình gồm 3 giai đoạn [11]:
-

Giai đoạn 1: khuếch tán và chuyển chất từ nước thải tới bề mặt các

tế bào vi sinh vật.
-

Giai đoạn 2: khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài tế bào

qua màng bán thấm vào trong tế bào.
Giai đoạn 3: q trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán
và hấp

thụ ở trong tế bào vi sinh vật để ra tạo năng lượng và tổng hợp các chất
mới của tế bào.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ bằng vi sinh vật có thể biểu diễn
bằng phương trình tổng quát sau:
Chất hữu cơ + O2 + VSV

CO2 + H2O + năng lượng + sinh khối

Năng lượng sinh ra được vi sinh vật sử dụng để sinh trưởng, sinh sản,
trao đổi chất, vận động.
1.2.3.1 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Theo Erkenfelder w.w và Connon DJ (1961) thì q trình xử lý sinh
học hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau [11], [1]:
-

Giai đoạn 1: oxi hóa các chất hữu cơ

13

Các chất đầu tiên bị oxi hóa là hidratcacbon và một số chất hữu cơ
khác. Men của vi sinh vật sẽ tách hidro khỏi mắt xích và đem phối hợp với
oxi của khơng khí để tạo thành nước. Phản ứng oxi hóa khử giữa các hợp chất
hữu cơ với oxi có thể biểu diễn như sau:
VSV
CxHyOz + O2

CO2

+ H2O + ∆H

Enzim
-

Giai đoạn 2: Q trình đồng hóa và xây dựng tế bào

Đường, rượu và các chất hữu cơ khác là các sản phẩm đặc trưng nhất
của q trình oxi hóa bởi vi sinh vật hiếu khí. Các chất đó khi phân hủy
hoàn toàn sẽ tạo thành CO2 và H2O, một phần được tổng hợp thành nguyên
sinh chất của tế bào vi sinh vật.
Enzim
CxHyOz + NH3 + O2

CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H

Trong đó : C5H7NO2 là nguyên sinh chất trong tế bào vi sinh vật.
-

Giai đoạn 3: quá trình dị hóa

Q trình dị hóa là q trình phân hủy các chất có trong tế bào sống,
như vậy một phần trong số các chất sống đã được tổng hợp lại tự bị oxi hóa.

C5H7NO2 + O2
1.2.3.2 Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí
Khi nước thải rất đậm đặc (BOD ≥ 10 – 30 g/l) thì khơng thể xử lý
bằng phương pháp hiếu khí mà phải xử lý bằng phương pháp kị khí để làm
giảm bớt hàm lượng BOD của nước [1]. Về nguyên tắc, quá trình phân giải
các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí gồm 2 giai đoạn chính [11]:
-

Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân


14

Dưới tác dụng của men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ trong
nước thải sẽ bị thủy phân: hidratcacbon phức tạp sẽ thành đường đơn giản,
protit sẽ thành peptit và các axit amin, mỡ sẽ thành glyxerin và các axit béo.
-

Giai đoạn 2: giai đoạn tạo khí

Sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo sản
phẩm cuối cùng là hỗn hợp các loại khí (chủ yếu là CO2 và CH4), ngồi ra cịn
có một ít muối khống.
Tốc độ và mức độ thủy phân kị khí các chất hữu cơ tùy thuộc vào
bản chất hóa học của chúng.

Theo Erkenfelder w.w các quá trình lên men kị khí được chia thành 3
giai đoạn [11]:
-

Giai đoạn 1: giai đoạn lên men axit

Những hidratcacbon rất dễ bị phân hủy sinh hóa thành axit béo với
trọng lượng phân tử thấp. Khi đó pH của mơi trường giảm xuống đến 5
hoặc thấp hơn nữa và có kèm theo mùi hôi.
-

Giai đoạn 2: giai đoạn chấm dứt lên men axit

Các axit hữu cơ và các hợp chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và
tạo thành các amoni, amin, các khí CO2, CH4, H2S… pH mơi trường tăng dần
lên. Mùi hôi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do thành phần H2S, indol (do
E.Coli trong mơi trường có pepton sinh ra indol), scaton và mecaptan. Dưới
tác dụng của các loại men, bùn có màu đen, nhớt và tạo bọt rồi nổi lên thành
màng.
-

Giai đoạn 3: giai đoạn lên men kiềm hay lên men metan

Các sản phẩm trung gian chủ yếu là xenlulozo, axit béo, các hợp chất
chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành khí CO 2 và CH4, pH của mơi
trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang môi trường kiềm. Lúc này amoniac


15

tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat và tạo cho mơi trường có tính đệm rất
cao, nên pH của dung dịch ít bị thay đổi.
1.2.4 Khử nitơ trong nước thải bằng biện pháp sinh học
1.2.4.1 Chu trình nitơ trong ao hồ
Chu trình nitơ là một trong những mơ hình tuần hồn vơ hình và quan
trọng nhất đối với mơi trường thủy sinh. Tôm cá và các động vật thủy sinh
trong quá trình sinh sống chúng bài tiết ra NH 3, nếu ở nồng độ cao NH3 sẽ gây
độc. Chu trình nitơ, trong đó có q trình amoni hóa, q trình nitrat hóa và
q trình đề nitrat hóa diễn ra nhờ vào hoạt động của các vi khuẩn có ích giúp
chuyển hóa các chất độc thành những chất có ích cho đời sống của thực vật
thủy sinh và giúp các động vật thủy sinh không bị độc từ chất thải do chúng
bài tiết ra.
Q trình chuyển hóa của các hợp chất chứa nitơ trong nước thải xảy ra
theo nhiều kiểu khác nhau. Hai cơ chế chủ yếu để loại nitơ là nitrat hóa (trong
điều kiện hiếu khí) và khử nitrat (trong điều kiện thiếu khí)
1.2.4.2. Cơ chế q trình xử lý nitơ trong điều kiện hiếu khí
* Q trình amoni hóa
Amoni hóa là q trình phân hủy và chuyển hố các hợp chất hữu cơ
phức tạp thành NH3 dưới tác dụng của vi sinh vật. Dưới tác dụng của enzyme
phân hủy protein (enzyme proteolytic, thường gọi là enzym proteaza) làm
chất xúc tác sẽ phân hủy protein thành các chất đơn giản hơn, các chất này
tiếp tục được phân giải thành acid amin nhờ tác dụng của enzyme peptidaza
ngoại bào. Một phần nhỏ acid amin sẽ được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp
thành protein của chúng (protein xây dựng cấu trúc cơ thể của vi sinh vật),
phần còn lại được tiếp tục phân giải tạo ra NH 3, CO2, SO42- (nếu các acid
amin có chứa S) và các sản phẩm trung gian khác. Trong nước, NH3 sẽ được


16

chuyển hóa thành NH4+ theo phản ứng sau: NH3 + H2O -> NH4+ + OH- [20],
[23]
* Q trình nitrat hóa
Dưới tác dụng của một số vi sinh thì NH 4+ được hình thành từ q trình
amoni hóa sẽ được tiếp tục chuyển hóa thành NO2- (nitrit) rồi thành NO3(nitrat). Trước hết NH4+ được chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn
Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men nitrite oxidase để
chuyển hóa NO2- thành NO3- . NO3- có thể được các thực vật thủy sinh sử
dụng như là một nguồn dinh dưỡng hoặc có thể bị chuyển hóa tiếp thành khí
nitơ (N2) qua hoạt động của các vi khuẩn yếm khí như Pseudomonas. Các q
trình chuyển hóa NH4+ đều cần sự tham gia của oxy và độ kiềm của nước.
Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn được thực hiện bởi hai nhóm vi khuẩn
nối tiếp nhau. Hai giống vi khuẩn này có mối quan hệ mật thiết với nhau.
Chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên: môi trường đất, nước. Mơi trường
thích hợp cho cả 2 loại này phải có pH > 6 (tối ưu ở pH = 7 - 8).
Các chất hữu cơ chứa

N

+

NH4

NO2

-

-

NO3

NH4+ là hợp chất dinh dưỡng rất thích hợp với vi sinh vật, rong tảo và
thực vật thủy sinh. Biến đổi từ NH 4+ đến NO3- là biến đổi hiếu khí, là lồi vi
khuẩn hiếu khí bắt buộc. Khi chúng chuyển hóa NH4+ thành NO2- sẽ sinh ra
năng lượng, năng lượng này sẽ được các vi khuẩn nitrit hóa sử dụng cho hoạt
động sống của mình. Sự có mặt của các nhóm vi khuẩn nitrite hóa giúp loại
bỏ được NH4+. Sau q trình nitrit hóa thì các vi khuẩn thuộc nhóm nitrat hóa
(Nitrobacter) sẽ thực hiện giai đoạn tiếp theo, chuyển hoá NO2- thành NO3- (là
sản phẩm cuối của q trình nitrat hóa). Vi khuẩn nitrosomonas và nitrobacter
cần oxi để oxi hóa NH4+ và NO2- theo các phản ứng [2] , [10], [20]: