Tài liệu SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI doc

SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Như đã nói ở các chương trước quá trình xử lý sinh học thường theo sau quá trình xử lý
cơ học để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải nhờ hoạt động của các vi khuẩn. Tùy
theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế các công trình
khác nhau. Tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng ao hồ
có sẵn hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý.
Sơ lược về các quá trình vi sinh trong việc xử lý nước thải
Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi)
Để thiết kế và vận hành một bể xử lý sinh học có hiệu quả chúng ta phải nắm vững các
kiến thức sinh học có liên quan đến quá trình xử lý. Trong các bể xử lý sinh học các vi
khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần
hữu cơ trong nước thải. Trong các bể bùn hoạt tính một phần chất thải hữu cơ sẽ được các
vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các
chất hữu cơ còn lại thành tế bào vi khuẩn mới. Vi khuẩn trong bể bùn hoạt tính thuộc các
giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia,
Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrát hóa là Nitrosomonas và
Nitrobacter. Ngoài ra còn có cácloại hình sợi như Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix,
Lecicothrix và Geotrichum. Ngoài các vi khuẩn các vi sinh vật khác cũng đóng vai trò
quan trọng trong các bể bùn hoạt tính. Ví dụ như các nguyên sinh động vật và Rotifer ăn
các vi khuẩn làm cho nước thải đầu ra sạch hơn về mặt vi sinh.
Khi bể xử lý được xây dựng xong và đưa vào vận hành thì các vi khuẩn có sẵn trong
nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong một mẻ cấy vi
khuẩn. Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định có thể
dùng bùn của các bể xử lý đang hoạt động gần đó cho thêm vào bể mới như là một hình
thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý. Chu kỳ phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý
bao gồm 4 giai đoạn:
Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt động và bùn của
các bể khác được cấy thêm vào bể. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi
với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào.
Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến
hành phân bào và tăng nhanh về số lượng. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời

gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường.
Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi khuẩn được giữ ở một
số lượng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là (a) các chất dinh dưỡngcần
thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, (b) số lượng vi
khuẩn sinh ra bằng với số lượng vi khuẩn chết đi.
Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lượng vi khuẩn chết đi
nhiều hơn số lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm
nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thườc khả kiến hoặc là đặc điểm
của môi trường.


Một đồ thị điển hình về sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

Cũng cần nó thêm rằng đồ thị trên chỉ mô tả sự tăng trưởng của một quần thể vi khuẩn
đơn độc. Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể khác nhau và có đồ thị tăng trưởng
giống nhau về dạng nhưng khác nhau về thời gian tăng trưởng cũng như đỉnh của đồ thị.
Trong một giai đoạn bất kỳ nào đó sẽ có một loài có số lượng chủ đạo do ở thời điểm đó
các điều kiện như pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ phù hợp cho loài đó. Sự biến động về
các vi sinh vật chủ đạo trong bể xử lý được biểu diễn trong hình bên dưới. Khi thiết kế và
vận hành hệ thống xử lý chúng ta phải để ý tới cả hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ rằng
đây là một "hộp đen" với những vi sinh vật bí mật.

Đồ thị về sự tăng trưởng tương đối của các vi sinh vật trong bể xử lý nước thải
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Như đã nói ở trên vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý nước
thải. Do đó trong các bể này chúng ta phải duy trì một mật độ vi khuẩn cao tương thích
với lưu lượng các chất ô nhiễm đưa vào bể. Điều này có thể thực hiện thông qua quá trình
thiết kế và vận hành. Trong quá trình thiết kế chúng ta phải tính toán chính xác thời gian
tồn lưu của vi khuẩn trong bể xử lý và thời gian này phải đủ lớn để các vi khuẩn có thể

sinh sản được. Trong quá trình vận hành, các điều kiện cần thiết cho quá trình tăng
trưởng của vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn ) phải được điều chỉnh ở
mức thuận lợi nhất cho vi khuẩn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của các công trình xử lý nước thải hiếu khí
Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình
Bùn hoạt tính
Loại bể phản ứng
Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất sục khí
Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng
Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)
Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng
Các chất dinh dưỡng
Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)
Bể lọc sinh học nhỏ
giọt
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất thông khí
Tỉ lệ hoàn lưu
Cách sắp xếp các cột lọc
Cách phân phối lưu lượng nước
Đĩa quay sinh học
Số bể, đĩa
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Bộ phận truyền động
Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa
Vận tốc quay

Các trục quay
Độ ngập nước của đĩa
Tỉ lệ hoàn lưu
Loại Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của công trình
Bùn hoạt tính
Loại bể phản ứng
Thời gian lưu của nước thải trong bể phản ứng
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất sục khí
Thời gian lưu trữ VSV trong bể phản ứng
Tỉ lệ thức ăn/vi sinh vật (F/M)
Tỉ lệ bùn bơm hoàn lưu về bể phản ứng
Các chất dinh dưỡng
Các yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)
Bể lọc sinh học nhỏ
giọt
Loại nguyên liệu làm giá bám và chiều cao của cột nguyên liệu này
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Hiệu suất thông khí
Tỉ lệ hoàn lưu
Cách sắp xếp các cột lọc
Cách phân phối lưu lượng nước
Đĩa quay sinh học
Số bể, đĩa
Chế độ nạp nước thải và các chất hữu cơ
Bộ phận truyền động
Mật độ của nguyên liệu cấu tạo đĩa
Vận tốc quay
Các trục quay
Độ ngập nước của đĩa

Tỉ lệ hoàn lưu

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991
Quá trình yếm khí
Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều
kiện không có oxy. Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng
trăm phản ứng và sản phẩm trung gian. Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng
bằng phương trình sau đây:
Chất hữu cơ
lên men
>
yếm khí
CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+ H
2
S
Hỗn hợp khí sinh ra thường được gọi là khí sinh học hay biogas. Thành phần của Biogas
như sau:

Methane (CH
4
) 55 ¸ 65%
Carbon dioxide (CO

2
) 35 ¸ 45%
Nitrogen (N
2
) 0 ¸ 3%
Hydrogen (H
2
) 0 ¸ 1%
Hydrogen Sulphide (H
2
S) 0 ¸ 1%

Methane có nhiệt trị cao (gần 9.000 kcal/m
3
). Do đó, nhiệt trị của Biogas khoảng 4.500 ÷
6.000 kcal/m
3
, tùy thuộc vào phần trăm của methane hiện diện trong Biogas.
Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:
1. Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử.
2. Tạo nên các axít.
3. Tạo methane.



Giai đoạn I
Thủy phân và lên men
Giai đoạn II
Tạo axid acetic, H
2

Giai đoạn III
Sinh CH
4
Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí (Mc. Cathy, 1981)
Ba nhóm vi khuẩn chính tham gia vào quá trình là nhóm vi sinh vật thủyphân ch6át hữu
cơ, nhóm vi sinh vật tạo acid bao gồm các loài Clostridium spp., Peptococcus
anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp.,
Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli, và nhóm vi sinh vật
sinh methane gồm các loài dạng hình que (Methanobacterium, Methanobacillus), dạng
hình cầu (Methanococcus, Methanosarcina).


Bấm chuột vào đây để xem một đoạn phim ngắn về cơ chế hoạt động của các vi khuẩn
(thuyết minh bằng tiếng Anh)
Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men yếm khí
Quá trình lên men yếm khí có thể được khởi động một cách nhanh chóng nếu như chất
thải của một hầm ủ đang hoạt động được dùng để làm chất mồi (đưa vi khuẩn đang hoạt
động vào mẻ ủ). Hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu nạp cho hầm ủ nên được điều
chỉnh ở mức 5 ÷ 10%, 90 ÷ 95% còn lại là nước.

Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ và sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và các mùa ảnh hưởng đến tốc độ phân
hủy chất hữu cơ. Thông thường biên độ nhiệt sau đây được chú ý đến trong quá trình xử
lý yếm khí:
25 ÷ 40
oC
: đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa ấm.
50 ÷ 65
oC

: nhiệt độ thích hợp cho các vi sinh vật ưa nhiệt.
Nói chung khi nhiệt độ tăng tốc độ sinh khí tăng nhưng ở nhiệt độ trong khoảng 40 ÷ 45
oC
thì tốc độ sinh khí giảm vì khoảng nhiệt độ này không thích hợp cho cả hai loại vi khuẩn,
nhiệt độ trên 60
oC
tốc độ sinh khí giảm đột ngột và quá trình sinh khí bị kềm hãm hoàn
toàn ở 65
oC
trở lên.



Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh khí của hầm ủ
(Price and Cheremisinoff, 1981, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)
Bấm chuột vào đây để xem ảnh động về ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh khí
(thuyết minh bằng tiếng Anh)
Ở các nước vùng ôn đới nhiệt độ môi trường thấp; do đó tốc độ sinh khí chậm và ở nhiệt
độ dưới 10
oC
thể tích khí sản xuất được giảm mạnh. Để cải thiện tốc độ sinh khí người ta
có thể dùng Biogas đun nóng nguyên liệu nạp, hoặc đun nước nóng để trao đổi nhiệt qua
các ống hình xoắn ốc lắp đặt sẵn trong lòng hầm ủ. Ngoài ra người ta còn dùng các tấm
nhựa trong để bao hầm ủ lại, nhiệt độ bên trong tấm nhựa trong sẽ cao hơn nhiệt độ môi
trường từ 5 ÷ 10
oC
, hoặc thiết kế cho phần trên hầm ủ chứa nước và lượng nước này được
đun nóng lên bằng bức xạ mặt trời, hoặc tạo lớp cách nhiệt với môi trường bằng cách phủ
phân compost hoặc lá cây lên hầm ủ.

Ảnh hưởng của pH và độ kiềm (alkalinity)
pH trong hầm ủ nên được điều chỉnh ở mức 6,6 ÷ 7,6 tối ưu trong khoảng 7 ÷ 7,2 vì tuy
rằng vi khuẩn tạo acid có thể chịu được pH thấp khoảng 5,5 nhưng vi khuẩn tạo methane
bị ức chế ở pH đó. pH của hầm ủ có khi hạ xuống thấp hơn 6,6 do sự tích tụ quá độ các
acid béo do hầm ủ bị nạp quá tải hoặc do các độc tố trong nguyên liệu nạp ức chế hoạt
động của vi khuẩn methane. Trong trường hợp này người ta lập tức ngưng nạp cho hầm ủ
để vi khuẩn sinh methane sử dụng hết các acid thừa, khi hầm ủ đạt được tốc độ sinh khí
bình thường trở lại người ta mới nạp lại nguyên liệu cho hầm ủ theo đúng lượng quy
định. Ngoài ra người ta có thể dùng vôi để trung hòa pH của hầm ủ.
Alkalinity của hầm ủ nên được giữ ở khoảng 1.000 ÷ 5.000 mg/L để tạo khả năng đệm tốt
cho nguyên liệu nạp.

Ảnh hưởng của độ mặn
Thường trên 90% trọng lượng nguyên liệu là nước. TTNLM đã tìm hiểu khả năng sinh
Biogas của hầm ủ tùy thuộc nồng độ muối trong nước. Kết quả cho thấy vi khuẩn tham
gia trong quá trình sinh khí methane có khả năng dần dần thích nghi với nồng độ của
muối ăn NaCl trong nước. Với nồng độ < 0,3% khả năng sinh khí không bị giảm đáng kể.
Như vậy việc vận hành các hệ thống xử lý yếm khí tại các vùng nước lợ trong mùa khô
không gặp trở ngại nhiều (Lê Hoàng Việt, 1988).

Các chất dinh dưỡng
Để bảo đảm năng suất sinh khí của hầm ủ, nguyên liệu nạp nên phối trộn để đạt được tỉ
số C/N từ 25/1 ÷ 30/1 bởi vì các vi khuẩn sử dụng carbon nhanh hơn sử dụng đạm từ 25
÷ 30 lần. Các nguyên tố khác như P, Na, K và Ca cũng quan trọng đối với quá trình sinh
khí tuy nhiên C/N được coi là nhân tố quyết định.

Ảnh hưởng lượng nguyên liệu nạp
Ảnh hưởng của lượng nguyên liệu nạp có thể biểu thị bằng 2 nhân tố sau:
Hàm lượng chất hữu cơ biểu thị bằng kg COD/m
3

/ngày hay VS/m
3
/ngày
Thời gian lưu trữ hỗn hợp nạp trong hầm ủ HRT
Lượng chất hữu cơ nạp cao sẽ làm tích tụ các acid béo do các vi khuẩn ở giai đoạn 3
không sử dụng kịp làm giảm pH của hầm ủ gây bất lợi cho các vi khuẩn methane.

Ảnh hưởng của các chất khóang trong nguyên liệu nạp
Các chất khóang trong nguyên liệu nạp có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến quá trình
sinh khí methane. Ví dụ ở nồng độ thấp Nikel làm tăng quá trình sinh khí.
Các chất khóang này còn gây hiện tượng cộng hưởng hoặc đối kháng. Hiện tượng cộng
hưởng là hiện tượng tăng độc tính của một nguyên tố do sự có mặt một nguyên tố khác.
Hiện tượng đối kháng là hiện tượng giảm độc tính của một nguyên tố do sự có mặt của
một nguyên tố khác.

Hiện tượng cộng hưởng và đối kháng của các cation đối với quá trình lên men yếm
khí
(EPA, 1979, trích dẫn bởi Chongrak, 1989)



Cations gây độc Cations cộng hưởng Cations đối kháng
Ammonium - N Ca, Mg, K Na
Ca Ammniu - N, Mg K, Na
Mg Ammonium - N, Ca K, Na
K K, Na
Na Ammonium - N, Ca, Mg K
Khuấy trộn
Khuấy trộn tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với chất thải làm tăng nhanh quá trình
sinh khí. Nó còn làm giảm thiểu sự lắng đọng của các chất rắn xuống đáy hầm và sự tạo

bọt và váng trên mặt hầm ủ.