Tổng Quan Ebb Và Lựa Chọn Vật Liệu Chế Tạo Ebb Cải Tiến

và phân hủy, bùn cặn được giữ lại trong khe rỗng của lớp lọc. Sau 2÷3 tháng xả bùn dư 1 lần. Nước đi qua lớp lọc được tách khí rồi chảy vào máng thu theo ống dẫn đưa sang xử lý hiếu khí [53].

Lương Đức Phẩm (2002), lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trưởng nở, VSV được cố định trên lớp vật liệu hạt được giãn nở bởi dòng nước dâng lên sao cho sự tiếp xúc của màng sinh học với các chất hữu cơ trong 1 đơn vị thể tích là lớn nhất.

Nguyễn Ngọc Bích và cộng sự (2002), đã xây dựng một mô hình thử nghiệm bể phân hủy kị khí ở quy mô 5 m3/ngày đã được thiết lập và vận hành trong hai năm để xử lý nước thải nghành chế biến cao su có hàm lượng COD và BOD tương ứng khoảng 9500 mg/L và 65 mg/L. Xơ dừa thô được sử dụng làm giá thể cho vi sinh kết bám. Kết quả với thời gian lưu nước là 48 tiếng, hiệu quả xử lý COD, BOD tương ứng là 90% và 90%.

Năm 2004, Viện Hóa học công nghệ (Bộ công nghiệp) đã phối hợp với Trung tâm Công nghệ môi trường Quốc tế Nhật Bản chuyển giao công nghệ xử lý nước thải sông Tô Lịch. Vật liệu lọc là những thứ có sẵn, dễ tìm kiếm và rất rẻ như đá vôi, chất phế thải xây dựng có độ xốp cao, chai nhựa phế thải, than củi, các loại vỏ động vật có chứa nhiều canxi như sò, ốc, hến. Ngoài ra chỉ cần thêm một số cành cây khô, gỗ mục để làm môi trường cho các VSV phát triển là có thể thực hiện quy trình lọc.

Đối với xử lý nước thải bằng phương pháp kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá thể mang, phổ biến có hai quá trình bám dính với vi khuẩn kị khí và lọc với vật liệu trương nở, dùng để xử lý nước thải chứa các chất carbon hữu cơ và để khử nitrate.

Lọc kị khí với sinh trưởng gắn kết trên giá mang hữu cơ, trong phương pháp này lớp VSV phát triển thành màng mỏng trên vật liệu chất dẻo và có dòng nước chảy qua. Vật liệu có thể là chất dẻo ở dạng tấm sắp xếp hay bằng vật liệu rời hoặc hạt, như hạt polyspiren. Nước thải đi từ dưới lên phía trên được tiếp xúc với vật liệu có VSV kị khí và tùy nghi phát triển dính bám thành màng mỏng [53].

Lọc kị khí với vật liệu giả lỏng trương nở đó là VSV được cố định trên lớp vật liệu hạt được giãn nở bởi dòng nước chạy dần lên, sao cho sự tiếp xúc của màng sinh học với các chất hữu cơ trong 1 đơn vị thể tích là lớn nhất. Hãng Degremont đã chế tạo ra một loại vật liệu hạt Biolite đặc biệt, có kích thước nhỏ hơn 0,5 mm có cấu tạo

lỗ nên thể tích riêng là khá lớn, khối lượng riêng nhỏ, chịu được va đập [51]. Nguyễn Ngọc Bích, Lâm Minh Triết, Lê Huy Bá (2002) đã xây dựng một mô hình thử nghiệm bể kị khí ở quy mô 5 m3/ngđ đã được thiết lập và vận hành trong hai năm để xử lý nước thải nghành chế biến cao su có các hàm lượng COD và BOD tương ứng 9.500 mg/L và 6.500 mg/L. Xơ dừa thô được sử dụng làm giá thể cho VSV kết bám trong bể. Kết quả với thời gian lưu là 2 ngày, hiệu quả xử lý COD là 90% và BOD là 60%.

Đá rỗng thủy tinh (Supersol) là vật liệu đá nhân tạo nhẹ, xốp, được tạo thành sau khi nghiền rác thủy tinh thành bột, nung nóng và tạo bọt, có tính thấm, giữ nước, độ chịu nhiệt cao và độ bền lâu dài, trong quá trình sản xuất có thể điều chỉnh được tỷ trọng và độ hút nước phù hợp với yêu cầu về kiến trúc, xây dựng [54].

Mới đây, năm 2019, các chuyên gia môi trường Liên Hợp Quốc đã hỗ trợ Hà Nội trong xử lý ô nhiễm sông Tô Lịch bằng công nghệ xử lý tiên tiến nhất của Nhật Bản Nano-Bioreactor với thời gian 2 tháng. Công nghệ này của Nhật Bản áp dụng theo ý tưởng phát minh mới là đưa hệ thống xử lý kết hợp giữa công nghệ sinh học và công nghệ Nano-Bioreactor có tốc độ xử lý nhanh nguồn nước bị ô nhiễm.

1.3. Vai trò của VSV trong xử lý nước thải

Sử dụng VSV xử lý nước thải là phương pháp lợi dụng khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của những sinh vật đơn bào có kích thước vô cùng nhỏ và chỉ quan sát được bằng kính hiển vi. VSV đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lý nước thải, chúng là thành phần không thể thiếu trong việc chuyển hóa không ngừng và phát triển liên tục bằng cách chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải.

1.3.1. Tảo

Tảo trong nước thải (trong đó có cả vi khuẩn lam mà trước đây gọi là tảo lam) được xếp vào nhóm thực vật nổi của nước. Chúng sống chủ yếu nhờ quang hợp, chúng xử dụng CO2 cùng với N và P để cấu thành tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời cũng thải ra oxy. Trong nước thải rất giàu N, P nên nước thải là môi trường thích hợp cho tảo tăng sinh khối. Mặt khác, việc tăng nhanh sinh khối của tảo cũng là nguồn ô nhiễm thứ cấp của nước thải khi tảo chết đi. Khi phát triển tảo và thực vật thủy sinh làm cho nước tăng độ hiếu khí [56].

1.3.2. Động vật nguyên sinh

Động vật nguyên sinh thuộc nhóm sinh vật trôi nổi trong nước và là nhân tố chỉ thị cho nước, vì nếu có sự xuất hiện của chúng chứng tỏ quá trình xử lí đạt hiệu quả và trong nước không có độc tính. Thức ăn của những động vật nguyên sinh trong nước thải là các vụn hữu cơ, các loại tảo hay vi khuẩn [57].

1.3.3. Hệ VSV của nước thải

Các VSV là những sinh vật nhỏ bé, đơn bào, tồn tại với số lượng rất lớn trong tự nhiên. Trong nước thải, VSV xâm nhập vào thông qua nhiều đường khác nhau: từ phân, nước tiểu, rác thải sinh hoạt, rác thải bệnh viện, không khí, đất, gió bụi.v.v... [58].

Hệ VSV trong nước thải bao gồm nhiều loại: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu và chiếm số lượng nhiều nhất là vi khuẩn. Vi khuẩn đóng vai trò cực kì quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ làm sạch nước thải. Theo phương thức dinh dưỡng vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính:

- Vi khuẩn dị dưỡng: là những vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng, và làm nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển.

+ Các nhóm VSV phân giải tinh bột

Nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng sinh amilaza như vi khuẩn, nấm mốc và nấm men.

Các vi khuẩn gram dương đặc biệt là Bacillus thường tạo ra nhiều (-amilaza hơn các vi khuẩn gram âm (Forgarty & Kelly, 1990). Ngoài (-amilaza ra, vi khuẩn còn tạo ra - amilaza (- amilaza trước đây chỉ thấy ở thực vật). Ví dụ ( -amilaza từ

B. polymyxa, khi thủy phân tinh bột có thể tạo ra 92÷94% maltoza. Đây là (- amilaza đầu tiên được phát hiện ở vi khuẩn. Hoạt tính của nó gần giống như (- amilaza của thực vật. Sau này, người ta tìm thấy (amilaza ở một số vi khuẩn khác như Acetobacter,

B. megaterium, B. Cereus.

Khả năng sinh amilaza của nấm mốc là mạnh nhất trong các nhóm vi sinh vật. Các giống nấm mốc điển hình có khả năng phân giải tinh bột mạnh đó là: Aspergillus (A. niger, A. awamori, A. oryzae). Rhizopus (R. delemar, R. niveus..).

+ Các nhóm VSV phân giải xenluloza

Năm 1785, lần đầu tiên L. Popov đã phát hiện ra rằng các vi khuẩn kỵ khí tham gia vào quá trình lên men xenluloza. Thế kỷ 19 các nhà khoa học đã phân lập đợc một số vi sinh vật kị khí có khả năng phân giải xenluloza từ phân và dạ cỏ của động vật nhai lại. Năm 1902, V.L. Omelianski đã thuần khiết và mô tả 2 giống vi khuẩn phân giải xenluloza và nêu ra 2 kiểu lên men xenluloza: Lên men hydro do loài Bacillus cellulosae hydrogenicus và lên men metan - Bacillus cellulosae metanicus. Chúng là vi khuẩn ưa ấm với nhiệt độ sinh trưởng tối ưu từ 30÷35oC (Gusterov, 1970). Đầu thế kỷ 20, ngoài những nhóm vi khuẩn kỵ khí, người ta phân lập được các nhóm vi khuẩn hiếu khí ưa ấm, ưa nhiệt có khả năng phân giải xenluloza. Hơn nữa, trong môi trường có độ ẩm cao hơn thường khả năng phân giải xenluloza và hemixenluloza của các nhóm vi khuẩn cũng tăng lên.

Các loại vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza mạnh mẽ thường thuộc về các chi sau: Achromobacter, P. Seudomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Anginococcus, Micromonospora, Actinomyces, Streptomyces, Streptospotangium, Fusarium, Aspergillus.

- Vi khuẩn tự dưỡng: là những vi khuẩn có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ CO2, H2O, NH4+, PO 3-... nhờ ánh sáng mặt trời hay năng lượng thải ra từ những phản ứng hóa sinh. Những vi khuẩn thuộc nhóm này bao gồm: vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn khử H2S.v.v...[59].

1.3.4. Quá trình tham gia của VSV trong xử lí nước thải

VSV trong nước thải nói chung là những vi khuẩn hoại sinh và dị dưỡng, sử dụng chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để phân hủy và chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời loại bỏ các chất ô nhiễm. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ được phân hủy đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hay tạo thành các loại khí khác nhau như CH4, H2S, Mercaptan, Scatol, Idol, NO2, N2O, N2.v.v. , [60]. Chất ô nhiễm trong nước thải chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, chất hữu cơ ở dạng keo

và và chất hữu cơ phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Những chất hữu cơ này sẽ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ chuyển qua quá trình đồng hóa và dị hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn :

- Các chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV

- Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm của nước qua màng bán thấm vào trong tế bào VSV.

- Chuyển hóa các chất ở trong nội bào để sinh năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào VSV.

Cơ chế của quá trình phân hủy các chất trong tế bào VSV diễn ra như sau:

Sau khi vào trong tế bào VSV, những chất hữu cơ có mạch phân tử còn tương đối dài sẽ được hệ enzyme thủy phân tiếp tục cắt thành những sản phẩm trung gian hay sản phẩm cuối cùng dễ sử dụng. Cụ thể, tinh bột sẽ phân cắt bởi enzyme amylase tạo thành đường; Protein sẽ bị phân cắt bởi enzyme protease tạo thành pepton, axit amin và cuối cùng là NH4+. Với chất béo thì enzyme lipase sẽ phân hủy tạo thành axit béo và glycerine. Các sản phẩm này sẽ được tế bào VSV sử dụng làm năng lượng hay làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp tế bào.

Có hai loại quá trình thủy phân hay phân hủy: phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các VSV hiếu khí có sự tham gia của oxy phân tử của không khí và phân hủy kị khí nhờ các VSV kị khí không có sự tham gia của oxy phân tử [59].

Những cơ chất ở đây là những chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, thể hiện thông qua thông số BOD. Có thể coi BOD là nguồn cơ chất dinh dưỡng cacbon của VSV trong nước thải. Chính nhờ hoạt động sống của VSV thì các chất nhiễm bẩn trong nước thải được làm sạch và đồng thời một phần trong số đó được VSV sử dụng để tăng sinh khối nhờ chúng đồng hóa BOD, NH4+, PO43- và các ion kim loại. Trong số này BOD là nguồn thức ăn chính của các chủng VSV dị dưỡng và là mục tiêu làm sạch trước tiên. Các nguồn NH4+, PO43- và kim loại nếu thiếu trong nước thải cần phải bổ sung để cân đối dinh dưỡng cho các VSV hoạt động, và cần phải xử lí riêng nếu thừa [60].

1.4. Tổng quan EBB và lựa chọn vật liệu chế tạo EBB cải tiến

1.4.1. Tổng quan EBB

Phát minh từ Nhật Bản, công nghệ EBB được tạo ra từ các hạt xốp có trong núi lửa và được gắn kết bằng xi măng để tạo nên những khối chất rắn phù hợp địa hình lắp đặt. Bên trong các hạt xốp núi lửa phun trào, người ta tìm thấy Bacillus Natto, một chủng VSV có khả năng xử lý hiệu quả đối với những nguồn nước ô nhiễm [61,62].

VSV trong khối EBB xử lý nước bằng cách tự duy trì sự cân bằng tự nhiên và loại bỏ liên tục các VSV có hại có trong nguồn nước bị ô nhiễm. Từ lợi ích của công nghệ EBB, ngày càng nhiều quốc gia trên Thế giới như Mỹ, Ấn độ, Malaysia, Singapore,… đang ứng dụng rộng rãi vào xử lý các chất ô nhiễm cho các sông, hồ, ao, mương... Cơ chế hoạt động của EBB được thực hiện thông qua vai trò của các VSV được gắn trong trong khối với mật độ cao bởi độ rỗng và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn của vật liệu. Trên thế giới đã có những công trình công bố nghiên cứu cơ bản về sử dụng EBB trong việc loại bỏ COD và Nitơ, Amoni trong nước thải sinh hoạt [62].

Thông thường EBB đảm nhận vai trò loại bỏ các chất ô nhiễm bằng cách duy trì sự cân bằng tự nhiên và loại bỏ liên tục các VSV có hại trong nguồn nước bị ô nhiễm. Bên cạnh đó, nghiên cứu của Hitoshi [61] đã khảo sát về vai trò của EBB trong việc loại bỏ các ký sinh trùng, ấu trùng muỗi trong nước thải và khả năng lọc sạch nước thải để loại bỏ các chất ô nhiễm. Qua nghiên cứu này, tác giả đã thu được những số liệu có giá trị hữu hiệu về mặt khoa học trong việc làm rõ được khả năng tăng hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm và sản sinh ít pyriproxyfen, đây là một pyridine có vai trò tiêu diệt các ấu trùng của động vật thân đốt. Bên cạnh đó các vi khuẩn Bacillus subtilis natto cố định trong khối EBB sẽ làm tăng hiệu quả xử lý, giảm mùi hôi có trong nguồn nước ô nhiễm.

Trong nghiên cứu khác, Mohd lại đề cập đến vai trò của EBB trong việc đánh giá chất lượng nước của sông Sungai Kenawar Segamat tại Malaysia [62], giải pháp xử lý nước bằng công nghệ sinh học này không đòi hỏi chi phí và bảo trì cao so với

các phương pháp cơ học khác đã được sử dụng. Công việc này dựa trên việc sử dụng các VSV thân thiện với môi trường để xử lý nước thô từ nguồn nước sông. Nghiên cứu đã xác định được xu hướng, mức độ ô nhiễm và áp dụng chỉ số chất lượng nước (WQI) như là một đánh giá chất lượng nước cơ bản để phân loại nước sông. Về cơ bản, nghiên cứu liên quan đến hai xét nghiệm cụ thể là thực nghiệm lần 1 kéo dài 12 tuần lấy mẫu phân tích và thực nghiệm 2 theo dõi 24/24 giờ. Có hai phương pháp đánh giá chất lượng nước, đó là đánh giá ngoài hiện trường và đánh giá trong phòng thí nghiệm. Trong việc đo hiện trường, các thông số được đo bao gồm pH, độ dẫn điện, độ đục, nhiệt độ, oxy hòa tan (DO) và tổng chất rắn hòa tan (TDS). Trong khi đó, các thông số đo trong phòng thí nghiệm bao gồm oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD), rắn lơ lửng (SS), nitơ Amoniac (NH3-

N) và nitrit (NO2). Dựa trên kết quả sơ bộ và dữ liệu thu được, việc sử dụng EBB cho thấy chất lượng nước của Sungai Kenawar được cải thiện lên khoảng 29% cho thực nghiệm 1 và 27,5% cho thực nghiệm 2. Qua nghiên cứu này, tác giả đã kết luận việc ứng dụng EBB cho xử lý nước thải ô nhiễm tại các lạch, mương, sông nhỏ là rất phù hợp, mang lại hiệu quả cao, không sử dụng hóa chất hay tốn chi phí về năng lượng cho quá trình xử lý.

EBB còn được nghiên cứu rất tỉ mỉ và chi tiết về nhiều khía cạnh trong việc ứng dụng để xử lý nước thải tại các ao hồ, sông nhỏ và mương dẫn của các khu dân cư trong luận văn tốt nghiệp của tác giả Ridzuan, 2006 tại trường Đại học Công nghệ Malaysia [63]. Tác giả đã đưa ra được những thông số về hữu cơ, nitơ thích hợp để ứng dụng EBB trong xử lý nước thải sinh hoạt. Kết quả cuối cùng Ridzuan cho rằng EBB rất phù hợp cho xử lý theo mô hình mương ô xy hóa cho đối tượng nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư với mật độ không cao. Được phát minh tại Nhật Bản và ngày được ứng dựng rộng rãi tại nhiều quốc gia, EBB đã chứng minh được tính năng ưu việt như không sử dụng hóa chất, không tốn chi phí năng lượng và thân thiện với môi trường. Các dự án lớn ứng dụng EBB trong xử lý nước thải của sông Melaka Malaysia (Hình 1.7), đặc biệt trong lĩnh vực làm sạch các bể cá cảnh công nghệ EBB đã thể hiện vai trò rất rõ rệt tại nhiều quốc gia Nhật Bản, Ấn độ, Malaysia, Singaopre. Trong khi đó, một nghiên cứu trên quy pilot tại điểm xả thải Mayur Vihar, Ấn Độ,

tiến hành từ tháng 12 năm 2006 đến tháng 4 năm 2007 cho thấy hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm đã giảm được xấp xỉ trên dưới 50% (trình bày trong Bảng 1.6).

Hình 1. 7. EBB được ứng dụng trong xử lý nước sông Melaka [64]

Các kết luận của nghiên cứu này chỉ rõ, có sự giảm lưu lượng nước do đặt vật liệu EBB trong lòng cống, và do đó làm tăng thời gian giữ thủy lực có thể dẫn đến tồn lưu các chất rắn lơ lửng trong cống. Sự tích tụ chất rắn về lâu dài có thể chặn lưu lượng thoát nước và dòng nước, vì vậy thiết kế kỹ thuật phù hợp sẽ phải hết sức cẩn thận.

Bảng 1. 6. Hiệu suất xử lý của công nghệ EBB tại Mayur Vihar, Ấn Độ [64].

Thông số

Trước XL	Sau XL	Hiệu suất,%
Màu (Hazen Unit)	144	115	20,1
TDS (mg/L)	292	72	74,4
COD (mg/L)	387	193	50,1
BOD (mg/L)	167	81	50,9
Coliform tổng số (105)	3913,3	2084	54,0
Feacal Coliform (105)	744,7	477	41,4
Feacal Streptococci (105)	66,5	47,1	37,8