Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ trong nước thải hồ nuôi tôm bằng phương pháp vi sinh ở quy mô pilot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THỊ ĐĂNG THẠCH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ
TRONG NƢỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM BẰNG
PHƢƠNG PHÁP VI SINH Ở QUY MƠ PILOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC

Bình Định – Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

VÕ THỊ ĐĂNG THẠCH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ
TRONG NƢỚC THẢI HỒ NUÔI TÔM BẰNG
PHƢƠNG PHÁP VI SINH Ở QUY MƠ PILOT

Chun ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 8440119

Ngƣời hƣớng dẫn: TS. LÊ THỊ THANH THÚY


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan cơng trình này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi,

được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Thị Thanh Thúy.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công
bố trong bất cứ một cơng trình nghiên cứu nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Võ Thị Đăng Thạch


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gửi đến TS. Lê Thị
Thanh Thúy - người đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện tốt nhất để em hoàn thành tốt luận văn này.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến q Thầy, Cơ khoa Hóa và
Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều
kiện giúp đỡ em khi thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, em xin dành tình cảm đặc biệt này đến với gia đình, bạn bè
và tập thể lớp Cao học Hóa K20 đã ln động viên, khích lệ tinh thần trong
suốt q trình học tập và nghiên cứu khoa học.
Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì cịn
hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên khơng
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thơng cảm và những ý
kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Quy Nhơn, tháng 7 năm 2019
Học viên

Võ Thị Đăng Thạch

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý báu và hết sức thiết yếu đối với
sự sống trên trái đất. Nhưng hiện nay,ô nhiễm môi trường nước là một vấn đề
lớn mà chúng ta đang phải đối mặt. Hầu hết nước thải sinh hoạt, nước thải
cơng nghiệp và cả nước thải trong q trình nuôi trồng thủy hải sản không
được xử lý mà xả thải trực tiếp vào môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng
nguồn nước, tác động xấu đến điều kiện vệ sinh và ảnh hưởng trực tiếp đến
sức khỏe cộng đồng.
Trong những năm gần đây, hoạt động ni tơm tại Bình Định nói riêng
và Việt Nam nói chung đang phát triển rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích
thiết thực cho nơng dân và trở thành ngành kinh tế quan trọng. Tuy nhiên bên
cạnh những giá trị kinh tế do nuôi tôm mang lại thì một lượng lớn nước thải
từ việc ni tôm cũng gây những ảnh hưởng lớn đến môi trường. Ngun
nhân chính do đặc tính nước thải ni tơm trong mơi trường nước lợ có chứa
hàm lượng lớn amoniac, nitrat, nitrit, cacbon, độ mặn thấp và lượng bùn cao
nên đã gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu trong việc lựa chọn phương
pháp xử lý.
Trong đó sự có mặt của các hợp chất hữu cơ sẽ làm giảm oxy hòa tan và
tăng hàm lượng BOD, COD,… trong lưu vực nước tự nhiên. Như vậy việc
loại bỏ các hợp chất hữu cơ ra khỏi nước thải là vấn đề rất cần thiết .
Có rất nhiều biện pháp xử lý, tuy nhiên biện 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. Phương pháp sinh học thường được ứng dụng trong việc xử lý nước
thải bị ô nhiễm bới các chất hữu cơ, các hợp chất nitơ, photpho,… dễ phân
hủy sinh học.

2

Từ những nền tảng cơ sở trên, với mong muốn được góp một phần nhỏ
vào cơng trình xử lý chất hữu cơ có trong nước thải, bảo vệ mơi trường, tôi
tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ trong nước thải
hồ nuôi tôm bằng phương pháp vi sinh ở quy mơ pilot”
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Trong những năm 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 Sequencing Batch Reactor (SBR - xử lý hiếu khí kết
hợp thiếu khí) bởi những tính ưu việt của phương pháp này mang lại cho xử lý
nguồn nước thải. Cụ thể phương pháp SBR có nhiều ưu điểm trong việc tách
bùn, và loại bỏ được hàm lượng chất hữu cơ hiệu quả. Việc loại bỏ hàm lượng
chất hữu cơ được thực hiện nhờ vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật thiếu khí hỗ
trợ phân hủy những hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học.
Qua nghiên cứu cũng cho thấy việc xử lý nước thải bằng phương pháp
sinh học được đánh giá cao về hiệu quả xử lý chất hữu cơ và sự thân thiện với
môi trường. Đơn cử R. Boopathy cùng các cộng sự đã nghiên cứu việc xử lý
các chất ô nhiễm trong nước thải nuôi tôm bằng phương pháp vi sinh theo
công nghệ SBR, kết quả làm giảm đáng kể hàm lượng chất hưu cơ (hàm
lượng COD từ 1201 mgO2/L giảm xuống còn 32 mgO2/L) và các chất ô
nhiễm khác cũng giảm đáng kể [18]. Theo đó C. Lyles và các cộng sự cũng đã
nghiên cứu xử lý nước thải nuôi tôm theo phương pháp SBR cũng cho kết quả
khả quan, hàm lượng COD từ 1593 mgO2/L giảm xuống cịn 44mgO2/L [19].
Ở

Việt Nam, hoạt động ni tôm đem lại hiệu quả cao cho nền kinh tế

nông nghiệp nước nhà. Tuy nhiên do thiếu quy hoạch hoặc quy hoạch không

được triệt để, nuôi tôm hiện đang phát triển tự phát, quy mô và phương thức
nuôi đa dạng, khơng được tập huấn dẫn đến tình trạng ơ nhiễm môi trường
nước thải từ hoạt động này. Ảnh hưởng từ nguồn nước thải từ hồ nuôi tôm đã


3

được đánh giá là ô nhiễm từ lâu tuy nhiên vẫn chưa có giải pháp nào thực sự
hiệu quả. Vì vậy vấn đề xử lý nước thải nuôi tôm rất đang được quan tâm
nhằm tăng năng suất cũng như hiệu quả kinh tế. Điều này đã thúc đẩy nhiều
nhà khoa học vào nghiên cứu đưa ra những phương pháp xử lý nước thải nuôi
tôm đạt hiệu quả cao và phù hợp với điều kiện từng vùng. Hiện nay có 2
phương hướng chính để xử lý chất hữu cơ trong nước thải nuôi tôm là: sử
dụng hệ vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải và sử dụng
hệ động thực vật thủy sinh để hấp thụ các chất hữu cơ [22] , [23].
3.

Mục tiêu nghiên cứu
-

Thiết kế hệ thống xử lý các hợp chất hữu cơ có trong nước thải ni

tơm bằng phương pháp màng sinh học.
-

Tìm ra các điều kiện thích hợp để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải

nuôi tôm.
-

Nghiên cứu động học của quá trình phân hủy sinh học của các hợp chất

hữu cơ.
4.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

4.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Khảo sát hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải ni tơm.

-

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nuôi tôm theo phương pháp màng

sinh học.
-

Nuôi cấy tạo màng vi sinh và sử dụng màng vi sinh để phân hủy các

chất hữu cơ có trong nước thải ni tơm.
-

Xây dựng phương trình động học q trình phân hủy sinh học các hợp

chất hữu cơ.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
-

Xác định hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải nuôi tôm.

-

Xây dựng hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp màng sinh học.


4

-

Nuôi cấy tạo màng vi sinh lên vật liệu mang thích hợp và sử dụng

màng vi sinh để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải.
5. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
5.1. Phương pháp nghiên cứu
-

Thu thập tài liệu liên quan đến hướng nghiên cứu của luận văn.

-

Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM): Khảo sát hình thái,

kích thước, bề mặt của màng vi sinh.
-

Ứng dụng các phương pháp phân tích trong thực nghiệm: Phân tích

hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước thải ni tơm.

-

Tìm các điều kiện tối ưu trong q trình xử lý nước thải ni tơm.

5.2. Nội dung nghiên cứu
-

Chế tạo hệ thống xử lý nước thải nuôi tôm.

-

Nuôi cấy và tạo màng vi sinh lên vật liệu mang thích hợp.

-

Khảo sát hình thái, kích thước, bề mặt của màng vi sinh.

-

Xác định các chỉ tiêu đầu vào của nước thải.

-

Xác định các chỉ tiêu đầu ra của nước thải.

-

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến với quá trình xử lý các chất hữu cơ.

-

Xây dựng động học q trình phân hủy sinh học cho nước thải ni

tơm.
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
-

Xử lý được hàm lượng chất hữu cơ gây ô nhiễm bằng phương pháp

sinh học thân thiện với mơi trường và ít tốn kém.
-

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

thải nuôi tôm ứng dụng trong thực tế.


5

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tầm quan trọng của nƣớc
Lịch sử của nền văn minh loài người chỉ ra rằng sự cung cấp nước và nền
văn minh là liên quan mật thiết với nhau. Hàng loạt thành phố và nền văn
minh loài người bị biến mất do sự cạn kiệt của nguồn nước làm biến đổi khí
hậu. Hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt là trong những nước đang phát
triển bị thiệt mạng do các bệnh bởi nước bẩn ô nhiễm gây ra. Sự hiểu biết về
hóa học của nước là cơ sở của các nhận thức toàn diện về môi trường nước.
Do vậy, điều đặc biệt cần nhấn mạnh nước là yếu tố cần thiết không chỉ

cho nguồn sống của con người mà nó cịn là nguồn sống cho tất cả sinh vật có
trên hành tinh này, nước khơng những cần thiết sử dụng trong sinh hoạt, sản
xuất nông nghiệp, sản xuất cơng nghiệp mà là tồn bộ các mặt của cuộc sống.
Nước đóng vai trị quan trọng và là yếu tố sống cịn trong sản xuất nơng
nghiệp cũng như cơng nghiệp, có nước thì mới có thể xây dựng cơng trình cơ
sở hạ tầng phục vụ đời sống và phải cần đến nước thì mới có thể sản xuất ra
các sản phẩm phục vụ nhu cầu cuộc sống con người. Vì thế mơi trường nước
sạch xung quanh chúng ta là rất cần thiết [1], [2].
1.2. Sự ô nhiễm mơi trƣờng nƣớc
Nước chiếm đến ¾ diện tích bề mặt trái đất, tuy nhiên lượng nước ngọt
có thể sử dụng được lại chiếm một tỉ lệ rất nhỏ. Lượng nước này được con
người sử dụng vào các hoạt động sản xuất và cuộc sống hàng ngày. Ngồi ra,
nước cịn là mơi trường sinh sống của nhiều lồi động, thực vật thủy sinh. Tuy
nhiên, 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. Các khuynh hướng làm thay đổi chất lượng
nước dưới tác động của con người bao gồm: [1], [23]
-

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


6

-

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 hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxi hóa

liên quan tới q trình phì 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.
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. Ngun
nhân gây ra ơ nhiễm mơi trường của q trình nuôi tôm một phần là do việc
nuôi tôm 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 nuôi tôm cho việc xử lý nước. Bên cạnh
đó, 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.
1.3. Các tác nhân gây ơ nhiễm mơi trƣờng nƣớc

Trong nước thải có rất nhiều chất gây bẩn, tùy theo bản chất của chúng
có thể chia thành hai loại là chất vô cơ và chất hữu cơ [2], [12].
1.3.1. Các chất vô cơ
 Các hợp chất chứa N, P
Muối của nitơ và photpho là các chất dinh dưỡng đối với thực vật,
thường có mặt trong nguồn nước tự nhiên. Các hoạt động sinh hoạt, sản xuất


7

của con người đã làm gia tăng nồng độ các ion này trong tự nhiên.
Amoni, amoniac (NH4+, NH3): nếu nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ
hữu cơ, NH3, NH4OH thì chứng tỏ nước bị ơ nhiễm. NH 3 trong nước sẽ gây
độc với cá và các sinh vật có trong nước. Nếu trong nước có mơi trường axit
thì tồn tại dạng ion amoni, trong môi trường kiềm tồn tại ở dạng amoniac.
Nitrit (NO2-): nếu nước chứa hợp chất nitơ chủ yếu là nitrit thì nước đó
đã bị ơ nhiễm thời gian dài.
Nitrat (NO3-): là sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy các chất chứa nitơ
có trong chất thải của người và động vật. Nitrat khi đi vào cơ thể người sẽ kết
hợp với một số chất tạo nitroso là chất có khả năng gây ung thư, trẻ em uống
nước chứa nhiều nitrat có thể bị mắc hội chứng methemoglobin (hội chứng
“trẻ xanh xao”).
Photpho: photpho có trong nước thường ở các dạng o - photphat - muối
photphat của axit photphoric H2PO4-, HPO42-, PO43- từ cơ thể động vật, đặc
biệt là tôm cá bị thối rửa hoặc các loại phân bón; các poly photphat từ các chất
tẩy rửa như: pyrometaphotphat Na 2(PO4)6, tripolyphotphat Na5P3O4,
pyrophotphat Na4P2O7. Ngồi ra, trong nước cịn có các hợp chất photpho
hữu cơ. Bản thân photphat khơng phải là chất độc, nhưng với nồng độ cao sẽ
làm giảm chất lượng nước.
Nitrat, photphat là chất cần thiết cho sự phát triển của thực vật thủy sinh

nhưng ở nồng độ cao chúng sẽ gây ra hiện tượng phú nhưỡng
(eutrophication). Khi hàm lượng trong nước đạt đến mức 0,01 mg/L (tính theo
P)

và tỷ lệ P:N:C vượt q 1:16:100 thì sẽ gây ra hiện tượng phú nhưỡng

nguồn nước. Ví dụ như nước “nở hoa” hoặc gia tăng đột biến các thực vật phù
du trong lưu vực nước.


Các hợp chất chứa ion sunfat (SO42-)
Sunfat trong nước có thể bị vi sinh vật chuyển hóa tạo ra sunfit và axit


8

sunfuric có thể gây ăn mịn đường ống và bê tơng. Ở nồng độ cao, sunfit có
thể gây hại cho cây trồng.
-

 Các hợp chất chứa ion clorua (Cl )

Clorua kết hợp với các ion khác như natri, kali gây ra vị mặn cho nước
làm ảnh hưởng đến cuộc sống của con người. Ở nồng độ cao clorua có khả
năng ăn mịn kim loại, các cơng trình bằng bê tơng, gây hại cho cây trồng...
 Các kim loại nặng

Chì (Pb), thủy ngân (Hg), asen (As), cadimi (Cd),... chúng có khả năng
tích lũy trong cơ thể, cũng rất độc với động vật thủy sinh.
1.3.2. Các chất hữu cơ

 Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học
Cacbonhydrat, protein, chất béo,... là các chất hữu cơ dễ bị phân hủy
sinh học. Chúng có hại đến các nguồn lợi thủy sản vì khi bị phân hủy các chất
này sẽ làm giảm oxy hịa tan trong nước dẫn đến chết tơm cá.
 Các chất hữu cơ khó phân hủy

Các chất này thuộc các chất hữu cơ có vịng thơm (hidruacacbon của dầu
khí), nhóm hóa chất bảo vệ thực vật: được chia thành các nhóm như photpho
hữu cơ, clo hữu cơ, cacbamat, phenoxyaxetic, pyrethroid tổng hợp.
Hầu hết các chất này có độc tính cao với con người và động vật, chúng bị
phân hủy chậm trong mơi trường, có khả năng tích lũy trong cơ thể người và
sinh vật.
Trong nguồn nước tự nhiên hàm lượng các chất hữu cơ rất thấp, không
ảnh hưởng đến sinh hoạt và đời sống, nuôi trồng thủy hải sản. Tuy nhiên khi
nguồn nước bị ơ nhiễm thì hàm lượng chất hữu cơ trong nước tăng rất cao.
1.4. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải
Xử lý nước thải là quá trình loại bỏ hoặc hạn chế những chất gây ô
nhiễm ra khỏi nước thải trước khi xả ra ngồi mơi trường [1], [3].


9

Dựa vào nguồn gốc gây ô nhiễm người ta sẽ phân loại nước thải cũng
như lựa chọn biện pháp xử lý thích hợp. Có nhiều loại nước thải, vì vậy cũng
có nhiều phương pháp xử lý khác nhau và tùy thuộc vào từng điều kiện mà
người ta sử dụng một hay kết hợp nhiều phương pháp để xử lý. Các phương
pháp đó là phương pháp cơ học, vật lý, hóa lý và vi sinh.
1.4.1. Phương pháp cơ học
Trong nước thải thường có nhiều loại tạp chất rắn với các kích cỡ khác
nhau như: rác, túi nilon, giấy, dầu mỡ,... Ngoài ra cịn có các loại hạt lơ lửng ở

dạng huyền phù khó lắng. Để việc xử lý nước thải đạt hiệu quả cao thì trước
hết ta phải loại bỏ các tạp chất rắn trên và phương pháp thích hợp nhất đó là
xử lý cơ học. Đầu tiên cho nước thải qua song chắn rác để loại bỏ các chất rắn
có kích thước lớn, sau đó dẫn qua lưới lọc được đặt sau song chắn để loại bỏ
chất rắn có kích thước nhỏ hơn, mịn hơn. Tiếp tục cho nước thải đi qua 2-3 bể
lắng nhằm tách các tách các tạp chất ở dạng huyền phù, các bể lắng thường
chứa cát, sỏi. Để tách dầu mỡ người ta sử dụng các tấm sợi quét trên mặt
nước.
1.4.2. Phương pháp hóa lý
Một số phương pháp hóa lý được sử dụng như: phương pháp lắng và keo
tụ, phương pháp hấp phụ, tuyển nổi,...
Phương pháp lắng và keo tụ: nước thải được đưa vào các bể lắng các chất
rắn, các chất rắn lơ lửng khó hoặc lắng rất chậm. Để tăng tốc độ lắng người ta
phải tăng kích thước của chúng bằng cách dùng chất gây keo tụ, thường là các
muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp hai muối này.
Phương pháp hấp phụ: dựa trên nguyên tắc các chất ơ nhiễm tan trong
nước có thể bị hấp phụ trên bề mặt một số chất rắn (chất hấp phụ). Các chất
hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, than bùn sấy khơ,... Nó hấp phụ cả
màu, mùi và các chất độc khác.


10

Phương pháp tuyển nổi: dựa trên nguyên tắc các phân tử phân tán trong
nước có khả năng tự lắng kém nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi
trên mặt nước, sau đó tách các bọt khí ra khỏi mặt nước.
1.4.3. Phương pháp hóa học
Phương pháp trung hịa: nước thải có độ axit cao người ta cho qua bể
chứa vật liệu lọc có tính kiềm như vơi, đá vôi, hoặc dùng nước vôi, dung dịch
kiềm (NaOH, Na2CO3) để trung hòa. pH của nước thải trong khoảng 6,6 – 7,8

là thích hợp cho q trình xử lý.
Phương pháp oxy hóa: nước thải được xử lý bằng cách thêm các chất oxy
hóa mạnh vào nước như oxy khơng khí, Cl 2, O3, H2O2,... Các tác nhân oxy
hóa hóa học thường được sử dụng với các xúc tác, tia UV, vi sóng,.. để nâng
cao hiệu quả oxy hóa chất hữu cơ. Ngồi ra, nhiều chất oxy hóa mạnh cịn là
chất khử trùng tốt, chúng sẽ khử trùng cho nước.
1.4.4. Phương pháp sinh học
Có rất nhiều phương pháp sinh học đã và đang được ứng dụng rộng rãi
trong xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ.
Phương pháp này dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy
chất hữu cơ gây ô nhiễm và có thể chia làm hai loại:
Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm VSV hiếu khí, hoạt động trong
điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Phương pháp kị khí: sử dụng nhóm VSV kị khí, hoạt động trong điều
kiện khơng có oxy.
Q trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ VSV gọi là q trình oxy hóa
sinh hóa. Các phương pháp sinh học thường được chia làm 3 loại: hiếu khí,
thiếu khí và kị khí. Một số kỹ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp sinh
học như sau [2], [10]:


11

Các phương pháp sinh học xử lý nước thải

Hiếu khí

Thiếu khí

Bùn

hoạt
tính

Kị khí

Đĩa
quay

Bể lọc
kị khí
UASB

sinh
học

Hình 1.1. Sơ đồ các phƣơng pháp sinh học xử lý nƣớc thải

Việc lựa chọn phương pháp và kỹ thuật xử lý sinh học nước thải thường
dựa vào mức độ ô nhiễm và trạng thái của các chất hữu cơ dễ bị oxy hóa sinh
học trong nước thải [4]. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh
hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxy
trong nước thải, nhiệt độ, pH và dinh dưỡng.
Bảng 1.1. Phạm vi ứng dụng các phƣơng pháp sinh học



12

Nhóm các chất khơng thuộc hóa chất bảo vệ thực vật như
polychlorophenol, polychlorobiphenyl, các hydrocacbon đa vòng ngưng tụ,

các hợp chất dị vòng. Các hợp chất này thường là các tác nhân gây ơ nhiễm
nguy hiểm, ngay cả khi có mặt với nồng độ rất nhỏ trong môi trường.
1.5. Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải. Điển hình như 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,
nitrat, photphat… Sản phẩm cuối cùng của q trình phân hủy sinh hóa sẽ là
khí cacbonic, nước, khí nitơ, ion sunfat… [5].
Trong cơng 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 ơ 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 đồng
thời giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. 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


13

1.5.1. 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 thơng 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 giá trị BOD
nhiều lần, trong đó có xenlulozo, hemixenlulozo, protein, tinh bột chưa tan thì
cần phải xử lý sinh học kết hợp kị khí và 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 370C.
-

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 đảm bảo cung cấp đủ, liên tục oxi

sao cho lượng oxi hòa tan trong nước (DO) phải không nhỏ hơn 2 mg/L [7].


14

1.5.2. 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 5
nhóm quá 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 [3], [8].
1.5.2.1. Một số khái niệm được dùng trong quá trình sinh học xử lý nước thải
-

Các q 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 quá 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.
-

Q 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 bơng 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,
H2O, NH3, H2S, N2…
-

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 quá 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…


15

1.5.2.2. Các quá trình sinh học thường dùng trong xử lý nước thải

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

1.5.3. 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: q trình xử lý sinh học hiếu
khí và q trình xử lý sinh học kị khí.
Theo quan điểm hiện đại nhất, quá trình xử lý nước thải bằng phương
pháp sinh học là quá trình gồm 3 giai đoạn [4], [5], [8]:
- 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 phụ các chất bẩn từ mặt ngoài tế bào

qua màng bán thấm vào trong tế bào.


16

-

Giai đoạn 3: q trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp

phụ 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:
CxHyOz + 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.
1.5.3.1. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Theo Erkenfelder w.w và Connon DJ (1961) thì quá trình xử lý sinh học
hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau [9, 10]:
-

Giai đoạn 1: oxi hóa các chất hữu cơ

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 mắc 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:
CxHyOz + O2
-

CO2

+ H2O + ∆H

Giai đoạn 2: Quá 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 sẽ tạo
thành CO2 và H2O, một phần tạo thành nguyên sinh chất của tế bào vi sinh.
Cx H y Ox + NH 3 + O2 Enzim→ CO2 + H 2O + C5 H 7 NO2 − ∆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.


17

C5 H 7 NO2 + O2 Enzim→ CO2 + 5H 2 O + NH 3 ± ∆H
1.5.3.2. 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 [10]. Về nguyên tắc, quá trình phân giải các
hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí gồm 2 giai đoạn chính [2]:
-

Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân

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 q 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 q trình lên men kị khí được chia thành 3
giai đoạn [2]:
-

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 hơi.
-

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 amon, amin, các khí CO 2, CH4,H2S… pH môi trường tăng dần lên.
Mùi hôi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do thành phần H 2S, indol (do
E.Coli trong mơi trường có pepton sinh ra indol), scaton và mecaptan.


18

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
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.
1.6. Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp màng sinh học
1.6.1. Khái niệm về màng sinh học
Màng sinh học là tập hợp các lồi vi sinh vật có hoạt tính oxi hóa các
chất hữu cơ có trong nước thải khi tiếp xúc với màng. Màng thường có độ dày
từ 1-3cm hoặc có thể dày hơn [2].
1.6.2. Đặc điểm màng sinh học
Trong số các vi sinh vật phát triển trên lớp màng sinh học sẽ có những
lồi sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polime sinh

học) tạo thành màng (màng sinh học). Màng sinh học được dày lên dần do
sinh khối hay vi sinh vật bám dính trên các chất mang.
Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy
qua hoặc tiếp xúc, ngồi ra màng này có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ
lửng hoặc trứng giun sán.
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, song
cũng có các lồi vi khuẩn kị khí và tùy tiện. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp
hiếu khí, rất dễ thấy các loại trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là các vi
khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Microcosus.
Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat
Desulofovibuo. Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxi hóa được tất


19

cả các chất hữu cơ dễ bị phân hủy có trong nước thải [2], [13], [39].
Màng sinh học được dùng trong các phin lọc sinh học hiếu khí hoặc đĩa
quay sinh học.
1.6.2.1. Bể lọc sinh học (biofilter)
Ở

đây vi sinh vật được sinh trưởng gắn kết trên các vật liệu lọc tạo

thành màng lọc. Các hạt vật liệu gắn kết vi sinh vật được nạp trên cột lọc tạo
thành pha tĩnh. Cịn nước thải và khơng khí được đưa vào dưới dạng pha
động.
Các hạt vật liệu này thường là các hạt đá, sỏi hoặc là các hạt chất dẻo, có
diện tích bề mặt, độ xốp lớn để vi sinh vật có thể gắn kết lên.
* Nguyên lý của quá trình:
Khi các tạp chất hữu cơ có trong nước thải đi qua hệ thống, chúng sẽ tiếp

xúc với lớp màng sinh học và sẽ bị hấp phụ vào màng sinh học (dày khoảng
0,1 – 0,2 mm), tại đây chúng sẽ bị phân hủy sinh học hiếu khí. Do đó lớp
màng sinh học sẽ ngày càng dày lên, càng đi sâu vào phía trong của màng
sinh học oxi càng giảm đi nên phía sát bề mặt vật liệu lọc trở thành môi
trường kị khí. Khi lớp màng sinh học dày lên thì lớp ngồi có thể sẽ bị rửa trơi
theo dịng nước, khi đó lớp màng mới sẽ hình thành trên vật liệu lọc và quá
trình lại tiếp tục.
Như vậy, trong quá trình xử lý ngồi nước đã xử lý đi ra cịn có thể kéo
theo các bùn sinh học (bùn hoạt tính) nên cần lọc qua một bể lọc thứ cấp để
tách loại các loại tạp chất kéo theo này.
Phương pháp lọc sinh học được chia thành nhiều loại:
-

Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt).

-

Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước.

-

Lọc sinh học với lớp vật liệu là các hạt cố định.

1.6.2.2. Đĩa quay sinh học


20

Hệ thống này gồm một loạt đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau
một khoảng nhỏ. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong máng chứa nước

thải, phần còn lại tiếp xúc với khơng khí. Các vi sinh vật bám trên các đĩa
quay tạo thành màng sinh học. Khi đĩa quay đã tạo cho màng sinh học có khả
năng thay đổi liên tục trạng thái tiếp xúc: tiếp xúc với các tập chất hữu cơ khi
chuyển động trong nước thải và sau đó lại tiếp xúc với oxi khơng khí khi ra
khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ motor hoặc sức gió. Nhờ quay liên tục mà
màng sinh học vừa tiếp xúc được với khơng khí, vừa tiếp xúc được với chất
hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ phân hủy nhanh.
1.6.3. Quá trình tạo màng sinh học
Hệ thống xử lý nước thải bằng màng sinh học dựa trên q trình oxi hóa
của các vi sinh vật có trong nước thải có khả năng chuyển hóa chất hữu cơ
trong nước thành thức ăn của chúng. Để thực hiện việc trên cần tạo môi
trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển, trên thực tế người ta dùng các
vật liệu như: than, đá, nhựa, xốp… Các vật liệu này có tác dụng như các giá
đỡ giúp các vi sinh vật bám vào và tạo ra lớp màng trên vật liệu lọc. Ngồi ra,
các vật liệu này cịn có tác dụng lọc cơ học. Người ta tạo màng vi sinh vật trên
vật liệu bằng cách lấy phần nước thải có hàm lượng vi sinh lớn rồi sau đó tưới
lên vật liệu. Quá trình này được diễn ra liên tục, sau một thời gian nhất định
(khoảng 18 đến 24 giờ) các vi sinh vật sẽ phát triển và bám vào vật liệu tạo
thành màng lọc sinh học. Khoảng 72 giờ thì màng vi sinh vật có độ dày nhất
định [2] .
1.6.4. Cơ chế xử lý qua màng
Oxi và thức ăn được khuếch tán qua màng sinh học đến khi các tế bào
phía sâu bên trong khơng tiếp xúc được với oxi và thức ăn trực tiếp được nữa.
Sau một thời gian nhất định sẽ có sự phân tầng các lớp: lớp ngoài cùng tiếp
xúc trực tiếp với oxi là lớp hiếu khí, lớp ở giữa tiếp xúc ít với oxi là lớp thiếu