Quá Trình Tiêu Thụ Cơ Chất Và Làm Sạch Nước Thải

Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxy hoá được tất cả các chất hữu cơ dễ phân huỷ trong nước thải. Màng này dần dần bịt các khe giữa các hạt vật liệu lọc, phin lọc giữ lại tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và phin làm việc có hiệu quả hơn. Nó hấp phụ giữ lại các vi khuẩn cũng như hoá học. Nó oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước và nước đã được dần làm sạch. Nếu lớp màng quá dày ta có thể dùng nước rửa, sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả xử lý giảm nhưng dần dần được hồi phục. Vận tốc lọc tốt nhất là 11000m3/ 0,4 ha.ngày.

Bảng 3.1 Một số giống chính trong quần thể vi khuẩn

Vi khuẩn

Chức năng

P.Seudomonas Arthrobacter Bacillus

Cytophaga Zooglea Acinetobacter Nitrosomonas Nitobacter Sphaerotilus Alcaligenes Flavobacterium Nitrococcus Denitrificans

Thiobacillus

Phân huỷ cacbohydrat, protein, các hợp chất hữu cơ khác, phản nitrat hoá.

Phân huỷ polymer

Tạo thành chất nhầy, hình thành chất keo tụ. Tích luỹ Polyphosphat, phản nitrat

Nitrit hĩa Nitrat hoá

Sinh nhiều tiên mao phân huỷ chất hữu cơ Phân huỷ protein, phản nitrat hoá

Phân huỷ protein, phản nitrat hoá Phản nitrat hoá

Phản nitrat hoá

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 96 trang tài liệu này.

Denitrificans Acinetobacter Hyphomicrobium

Desulfovibrio

Phản nitrat hoá

Khử sunphat, khử nitrat

( Nguồn: PGS: Nguyễn Văn Phước)

3.2.4 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

3.2.4.1 Cấu tạo màng vi sinh:

Màng vi sinh vật bao gồm một tổ hợp vi sinh vật và một số dạng vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào( gelatin) do vi sinh vật( gồm cả vi khuẩn và protozoa) tiết ra trong quá trình trao đổi chất và phân huỷ tế bào. Thành phần chủ yếu của polymer ngoại bào là polysaccharide và protein.

Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp về vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của một màng vi sinh vật gồm:

Vật liệu đệm ( đá, sỏi, chất dẻo, than…với kích thước và hình dạng khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh vật chia thành 2 lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt.

Hầu hết các mô hình tính toán về hệ thống màng vi sinh vật không quan tâm đúng tới vai trò của lớp màng bề mặt, và hầu như chỉ chú ý tới lớp màng nền. Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này đóng vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả

là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất. Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những hoạ thuyết về màng vi sinh trước đó. Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi quá trình thẩm thấu và khuếch tán. Nhờ 2 quá trình đó, vật chất được đem tới “ cụm sinh khối vi sinh vật” và quá trình khuyếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó. Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử ( chất oxy hoá)… giữa pha lỏng và màng vi sinh vật thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý.

Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia làm 2 lớp ( chỉ đúng trong trường hợp màng vi sinh hiếu khí): Lớp màng kỵ khí bên trong và lớp màng hiếu khí bên ngoài. Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật kỵ khí. Vì chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với kích thước vi sinh vật, oxy hoà tan trong nước chỉ khuyếch tán lại gần bề mặt màng làm cho màng phía ngoài trở thành lớp hiếu khí, bên trong hầu như không tiếp xúc được với oxy nên trở thành lớp màng kỵ khí.

3.2.4.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất và làm sạch nước thải

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết ( các chất vi lượng)…cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng.

3.2.4.2.1 Quá trình tiêu thụ cơ chất diễn ra như sau:

Đầu tiên, cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó vận chuyển vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử.

Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và tiêu thụ cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những dạng cơ chất ở thể rắn, lơ lửng, hoặc có phân tử khối lớn chúng sẽ bị phân huỷ thành những phân tử có kích thước nhỏ

hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục vân chuyển vào bên trong màng vi sinh vật. Sản phẩm cuối của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả theo công thức sau:

Màng hiếu khí:

Chất hữu cơ + O2 + nguyên tố vết sinh khối vi khuẩn + sản phẩm cuối

Màng kỵ khí:

Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối của vi khuẩn + sản phẩm cuối

Khi bất kỳ một thành phần nào cần thiết cho vi sinh vật bị thiếu, những phản ứng sinh hoá sẽ xảy ra không đồng đều. Nếu như một trong những cơ chất bị hết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật , thì tại đó những phản ứng sinh học sẽ không xảy ra, cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình ( limited- subtract), đồng thời chiều sâu hiệu quả của màng cũng được xác định ở vị trí đó.

Các nguyên tố vết như nitrogen, phosphate và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỷ lệ của phản ứng sinh học thì sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng. Tương tự chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn trong màng kỵ khí. Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp xúc với màng thấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hoà tan lúc này sẽ trở thành yếu tố giới hạn. Do đó, ngay trong trường hợp màng hiếu khí, khu vực nào thiếu oxy sẽ trở thành khu vực thiếu khí ( anoxic) hoặc khu vực kỵ khí ( anaerobic). Lớp màng kỵ khí không đóng vai trò trực tiếp trong quá trình xử ý nước thải. Tuy nhiên trong lớp màng kỵ khí có thể diễn ra các quá trình hoá lỏng, lên men axit chất hữu cơ dạng rắn, oxy hoá chất hữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate hoặc khử nitrate, nitrite tạo ra từ lớp màng hiếu khí. Vì vậy sự tồn tại đồng thời hoạt động của hai lớp màng trên là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình màng vi sinh vật.

3.2.4.2.2 Quá trình nitrat hóa

Quá trình nitra hóa là quá trình oxy hóa nitơ hóa các muối amon đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat trong điều kiện thích ứng ( có oxy và nhiệt độ trên 4oC).

Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa gồm có 2 nhóm:

Vi khuẩn nitrit: oxy hóa amoniac thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ

nhất. hai.

Vi khuẩn nitrat: oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ Các phản ứng được biểu diễn qua các phương trình sau:

2NH3 + 3O3 2NHO3 + 2H2O

2HNO3 + O2 2NHO3

(NH4)2CO3 + 3O2 = 2HNO2 + CO2 + 3H2O 2HNO2 + O2 = 2HNO3

Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoan thứ

hai. Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg nitơ của muối amon ở giai đoạn tạo nitrit là 343 mgO2, còn ở giai đoạn tạo nitrat là 4,5 mgO2. Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ.

Quá trình nitrat hóa có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên. Nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nito khi lượng oxy tự do ( lượng oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó.

Hình 3.6 : vi khuẩn nitrosomonas và nitrobacter

3.2.4.2.3 Quá trình khử nitrat

Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitritt, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí ( vi khuẩn khử nitrat). Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ. Lượng oxy được giải phóng trong quá trình khử nitrit N2O3 là 2,85 mg/1mg nitơ. Sự chuyển hoá nitơ ở dạng nitrat thành dạng dễ khử có thể qua nhiều con đường với nhiều loài vi khuẩn. . Trong số đó có: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum. Những vi khuẩn này là loại dị dưỡng có khả năng khác nhau trong việc khử nitrat theo quá trình hai bước: 1) chuyển hoá nitrat thành nitrit; 2) tạo nitơ oxit, dinoto oxit và khí nitơ, các phản ứng khử nitrat diễn ra như sau: NO3 NO2 NO N2O N2. Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.

3.2.4.2.4 Quá trình khử phostpho

Sự phân giải hợp chất chứa phostpho có liên quan nhiều đến khả năng tạo axit hữu cơ của các giống vi sinh vật, trong đó có sự hình thành axit; cacbonic, HNO3, H2SO4…

Ca2(PO4)2 + 4H2SO4 = CaH2SO4.2H2O + 2Ca(HCO3)2

Ca2(PO4)2 + 4HNO3 = Ca(H2SO4)2 + 2Ca(HNO3)2

vật:

3.2.5 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh

Quá trình vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt đệm chia thành 3 giai

đoạn:

Giai đoạn thứ nhất: có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong trường hợp này, tất cả các vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình sinh vật lơ lửng.

Giai đoạn thứ hai: độ dày màng trở nên lớn hơn độ dày hiệu quả. Trong giai đoạn này, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì độ dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng. Tổng số vi sinh vật đag phát triển cũng không thay đổi trong suốt quá trình. Lượng tiêu thụ cơ chất chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh, không nhằm vào mục đích tăng sinh khối. Lưu ý: lượng cơ chất đưa vào quá trình phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự giảm sinh khối và lớp màng sẽ mỏng dần nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối.

Giai đoạn thứ ba: bề dày lớp màng trở nên khá ổn định. Khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi theo lực cắt của dòng chảy.

3.2.6 Tắc màng và các biện pháp khắc phục

3.2.6.1 Hiện tượng tắc màng

Nhiễm bẩn màng thường được gọi là tắc màng gây nên sự tiêu hao năng lượng lớn, tần số rửa màng cao hơn, giảm thời gian hữu dụng ( thời gian sống) của màng.

Theo IUPAC, tắc màng được định nghĩa là quá trình làm giảm hiệu suất của màng gây nên bởi sự lắng đọng của các chất rắn hoà tan hoặc lơ lửng trên bề mặt, trên lỗ xốp hoặc trong lỗ xốp của màng.

Màng luôn có độ cản nhất định. Khi lọc nước sạch, màng chỉ có độ cản màng Rm.Khi nước có mức hạt chất rắn lơ lửng nhất định các hạt này lắng đọng trên bề mặt màng tạo thành lớp bánh lọc và chúng tạo nên độ cản bánh lọc ( hạt) Rbl. Khi các hạt làm tắc nghẽn lỗ xốp của màng chúng tạo nên độ cản lấp lỗ Rll. Ở đây tác động chủ yếu là sự kết tủa của các chất rắn hoà tan nên còn gọi là đóng cặn. Thêm vào đó vật chất bị hấp phụ trên hoặc trong màng cũng gây nên độ cản được gọi là độ cản hấp phụ Rhp- phần lớn gây nên bởi các vi khuẩn do vậy còn được gọi là tắc sinh học.

Để quá trình duy trì được hiệu suất lọc cố định áp suất vận hành can phải tăng dần trong quá trình và đến áp suất nhất định thì quá trình không còn tính kinh tế, mặt khác sức chịu đựng của màng cũng có hạn.

Sự tắc màng trong công nghệ màng là không thể tránh khỏi, mọi cố gắng chỉ là để tối thiểu hoá nó bằng cách lựa chọn công nghệ thích hợp với nguồn nước can xử lý, tối ưu hoá hệ thống và chế độ rửa màng. Những nhân tố chỉ thị sự giảm công suất màng là:

Tốc độ dòng sản phẩm thấp.

Châùt lượng sản phẩm kém.

Sụt giảm áp suất.

Cần phải rửa màng thường xuyên.

3.2.6.2 Cách khắc phục

Tăng cường khả năng kháng tắc của màng:

Màng được biến tính xử lý với chất hoạt động bề mặt hay được phủ moat lớp khoáng protein, có thể cải thiện được khả năng kháng tắc. Nhờ đó tính chất bề mặt của màng biến đổi làm giảm sự hấp phụ của vi khuẩn hoặc các chất mang điện tích.

Các phương pháp rửa màng: