Sơ Đồ Quá Trình Phân Hủy Hiếu Khí (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2002)

Năng lượng

Hô hấp nội bào

Nước thải đầu ra

BOD

Sinh khối

Nước thải đầu vào

Các chất nền không phân hủy

CO , H O, SO2, NO...

2 2

Hình 2.4. Sơ đồ quá trình phân hủy hiếu khí (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2002)

a. Quá trình nitrat hóa

Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình nitrat hóa (nitrification) là quá trình oxi hóa sinh hóa nitơ của các muối amôn đầu tiên thành nitrit và sau cùng thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxi và nhiệt độ trên 4oC).

Quá trình nitrat hóa gồm 2 giai đoạn sau:

+ Giai đoạn I: amôn bị oxi hóa thành nitrit do tác động của vi khuẩn nitrit

2NH4+ + O2

Nitrosomonas

2NO2- + 4H+ + 2H2O

+ Giai đoạn II: oxi hóa nitrit thành nitrat do tác động của vi khuẩn nitrat

2NO2- + O2

Nitrobacter

2NO3-

Quá trình chuyển hóa amôn thành nitrat có thể tổng hợp bằng phương trình sau: NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O

Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), việc chuyển hóa NH4+ thành

NO2- được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa amôn (Ammonia Oxidizing Bacteria - AOB). Nitrosomonas (như N. europaea, N. oligocarbogenes) là các vi khuẩn tự dưỡng oxy hóa amôn thành hydroxylamine (NH2OH). Các AOB khác là Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, và Nitrosovibrio. Trong nước thải hầu hết các AOB là Nitrosomonas. Việc chuyển hóa nitrit thành nitrat được tiến hành bởi các vi sinh vật oxi hóa nitrit (Nitrite Oxidizing bacteria - NOB). Các vi khuẩn hóa dưỡng khác tham gia oxi hóa

nitrit là Nitrosopina, Nitrosococcus, Nitrosopira. Trong số đó Nitrobacter là vi khuẩn thường gặp trong nước thải nhất.

Mặc dù các vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng chiếm ưu thế về số lượng trong môi trường nhưng quá trình nitrat hóa cũng có thể diễn ra bởi các vi khuẩn dị dưỡng (Arthrobacter) và nấm (Aspergillus). Các vi sinh vật này sử dụng nguồn cacbon hữu cơ và oxi hóa amôn thành nitrat, tuy nhiên các vi khuẩn dị dưỡng cần năng lượng và sự tăng trưởng của chúng chậm hơn nhóm vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng rất nhiều, do đó mức độ đóng góp của nó vào quá trình nitrat hóa coi như không đáng kể (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009).

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 hợp chất hữu cơ.

+ Quá trình nitrat hóa tạo được một lượng oxi dự trữ có thể dùng để oxi hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxi hòa tan đã tiêu hao ở quá trình đó.

b. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

Theo Lâm Minh Triết, Đỗ Hồng Lan Chi (2005), các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hoá như: nồng độ amonia/nitrat, nồng độ oxi, pH, nhiệt độ, tỉ lệ BOD5/TNK và sự hiện diện các hóa chất độc hại.

+ Nồng độ amonia/nitrat: phụ thuộc vào động học quá trình phát triển của vi

khuẩn nitrat.

+ Nồng độ oxi hòa tan: nồng độ oxi hòa tan là một trong những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát quá trình nitrat hoá. Nồng độ oxi tốt nhất cho quá trình là lớn hơn 2 mg/L, thấp nhất là 1,3 mg/L.

+ Nhiệt độ: sự phát triển của vi khuẩn nitrat chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat là 8 300C, tốt nhất là khoảng 300C.

+ pH: pH tối ưu cho qua trình nằm trong khoảng khá rộng từ 7,5 8,5. Quá trình nitrat sẽ bị ức chế khi pH < 6 hoặc pH >10. Quá trình này cũng sử dụng độ kiềm trong nước thải, cứ 1 mg NH -N được oxy hóa cần 7,14 mg CaCO3, do đó làm giảm độ

kiềm trong nước thải.

+ Tỷ số BOD5/TNK: tỉ lệ vi khuẩn nitrat giảm khi BOD5/TKN tăng. Kết hợp quá trình khử BOD và nitrat hóa cần tỷ lệ BOD5/TKN >5, trong khi đó chỉ có quá trình khử nitrat thì tỉ lệ BOD5/TKN < 3.

+ Ảnh hưởng của hóa chất độc hại: các hóa chất độc hại trong nước thải ảnh hưởng đến vi khuẩn Nitrosomonas nhiều hơn so với vi khuẩn Nitrobacter. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải không gây độc trực tiếp cho các vi khuẩn nitrat hoá mà là ảnh hưởng gián tiếp, trong điều kiện thiếu oxi các chất hữu cơ sẽ hình thành các hợp chất độc. Các hợp chất ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa như: cyanua, thiourea, phenol, anilines và kim loại nặng (Ag, Ni, Cr, Cu, Zn). Để quá trình khử amôn diễn ra hoàn toàn thì nồng độ cho phép của Niken là 0,25 mg/L, Crom là 0,25 mg/L, Đồng là 0,1 mg/L (Metcalf and Eddy, 2003).

Do các vi khuẩn nitrat hóa bị ức chế bởi các kim loại nặng nên nếu hàm lượng kim loại nặng trong nước thải vượt quá mức cho phép thì quá trình nitrat hóa sẽ bị chậm lại. Khi quá trình nitrat hóa bị ngừng hẳn, amôn không bị oxi hóa trong bể sục khí và sẽ nằm trong nước thải đầu ra.

Bảng 2.1. Điều kiện thích hợp cho quá trình nitrat hóa

Thông số

Đơn vị	Giá trị
pH	-	7,2 ÷ 8,4
Nhiệt độ	oC	15 ÷ 35
DO	mg/L	> 1
MLVSS	mg/L	1200 ÷ 2500
Kim loại nặng (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr)	mg/L	< 5
Cyanua và các hợp chất	mg/L	< 20

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 154 trang tài liệu này.

(Nguồn: Gabriel Biton,1999)

c. Quá trình bùn hoạt tính

Theo Trịnh Xuân Lai (2002), nguyên lý cơ bản của bể bùn hoạt tính là tạo điều kiện hiếu khí cho quần thể vi sinh vật có trong bể phát triển tạo thành bùn hoạt tính. Khi ở trong bể, các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân cho vi khuẩn bám vào, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú, phát triển của vô số vi khuẩn và vi sinh vật khác. Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD)

và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất trơ không hòa tan và thành các tế bào mới. Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hóa thải ra các hợp chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản hơn, một vài loại vi khuẩn khác dùng các chất này làm thức ăn và lại thải ra các chất hữu cơ đơn giản hơn nữa và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng không thể dùng làm thức ăn cho bất cứ loại vi sinh vật nào nữa.

Thông thường người ta dùng hệ thống khuấy trộn hoặc sục khí cưỡng bức để cung cấp oxi tạo điều kiện hiếu khí cho vi sinh vật hoạt động.

Theo Lương Đức Phẩm (2007), quá trình oxi hóa các chất hữu cơ xảy ra trong bể bùn hoạt tính trải qua 3 giai đoạn:

+ Giai đoạn thứ nhất: tốc độ oxi hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxi. Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển. Hàm lượng oxi cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt là ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất ít. Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân. Vì vậy lượng tiêu thụ oxi tăng dần.

+ Giai đoạn hai: vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxi cũng ở mức gần như ít thay đổi. Chính ở giai đoạn này các chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất.

+ Giai đoạn ba: sau một thời gian khá dài tốc độ oxi hóa cầm chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxi tăng lên. Đây là giai đoạn nitrat hóa muối amôn.

2.2.1.3.2 Phương pháp thiếu khí

Theo Lương Đức Phẩm (2007), phương pháp thiếu khí là quá trình xử lý sinh học sử dụng các vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện thiếu oxi, không cấp thêm oxi từ ngoài vào.

Trong kỹ thuật xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học thiếu khí theo kỹ thuật bùn hoạt tính, sự khử nitrat xảy ra khi 0 < DO < 1 mg/L. Khi đó oxi cần cho hoạt động của vi sinh vật giảm dần và việc giải phóng oxi từ nitrat sẽ xảy ra. Theo nguyên tắc trên, phương pháp thiếu khí được dùng để loại nitơ ra khỏi nước thải.

a. Quá trình khử nitrat

NO 

Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), trong điều kiện thiếu khí, ion có thể bị khử thành N2 do quá trình khử nitrat của các vi khuẩn dị dưỡng theo

phương trình sau:

NO 

+ chất hữu cơ

VK dị dưỡng

N2 + CO2

+ OH- + H2O

Để quá trình khử nitrat có thể xảy ra chúng ta phải duy trì điều kiện thiếu khí, nếu không vi khuẩn sẽ sử dụng oxi để oxi hóa chất hữu cơ và quá trình sẽ trở thành quá trình oxi hóa chất hữu cơ. Các vi khuẩn khử nitrat rất cần nguồn cacbon để làm chất cho điện tử cho quá trình phản ứng, do đó cần phải cung cấp đầy đủ nguồn cacbon cho các vi khuẩn.

Một số loài vi khuẩn như Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum, đây là những loài vi khuẩn dị dưỡng có khả năng khác nhau trong việc khử nitrat (Trần Hiếu Nhuệ, 2001).

Chuỗi phản ứng của quá trình khử nitrat có thể được tóm tắt bằng sơ đồ sau:

NO 

Nitrate reductase

NO 

Nitrite reductase

NO Nitrite oxide

reductase

N2O

Nitrous oxide N2

reductase

b. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình khử nitrat

Theo Lê Văn Cát (2007), quá trình khử nitrat chịu ảnh hưởng bởi:

+ Ảnh hưởng của oxi: do oxi là tác nhân ức chế tốc độ phản ứng khử nitrat nên chúng có tác động ngược lại, nồng độ oxi càng cao thì mức độ ức chế càng lớn.

+ Sự hiện diện của các chất hữu cơ: bản chất của chất hữu cơ cũng ảnh hưởng đến tốc độ khử nitrat, các chất hữu cơ tan dễ phân hủy tạo điều kiện tốt thúc đẩy tốc độ khử nitrat. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ khử nitrat tăng dần khi sử dụng chất hữu cơ từ phân hủy nội sinh, từ nguồn nước thải và chủ động đưa vào hệ như: metanol, axit axetic.

+ pH: giá trị pH thích hợp là 7- 9, tốt nhất là gần bằng 7, ngoài vùng tối ưu tốc độ khử nitrat giảm nhanh. Tại pH ≈ 10 và pH ≈ 6 tốc độ khử nitrat chỉ còn lại vài phần trăm so với vùng tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ kiềm và pH tăng trong quá

trình khử nitrat. Nguyên nhân là do 1mg NO chuyển sang N2 làm tăng 3,6 mg CaCO3.

+ Nhiệt độ: ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình khử nitrat tương tự như đối với quá trình nitrat hóa. Quá trình khử nitrat có thể xảy ra ở nhiệt độ 35 500C, cũng có thể ở nhiệt độ thấp hơn 5 100C nhưng với tốc độ chậm hơn.

+ Ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng: quá trình khử nitrat được kích thích khi có mặt của Mo và Se. Trong nước thải, chúng hoạt động tạo thành formate dehydrogenase, một trong những enzyme phức tạp nhất trong sự trao đổi chất của methanol. Mo còn là nguyên tố chủ yếu trong việc tổng hợp nitrat reductase (Lâm Minh Triết - Đỗ Hồng Lan Chi, 2005).

+ Các hợp chất độc hại: quá trình này ít bị ảnh hưởng bởi chất độc so với quá trình nitrat hóa (Lâm Minh Triết - Đỗ Hồng Lan Chi, 2005).

2.2.2 Xử lý sinh học kết hợp với giá bám

2.2.2.1 Khái niệm xử lý sinh học kết hợp với giá bám

Theo Lê Hoàng Việt (2003), tăng trưởng bám dính (attached growth), màng cố định (fixed film) hay màng sinh học (biofilm) là những tên gọi khác nhau của quá trình tăng trưởng của vi khuẩn trong đó các vi khuẩn bám trên bề mặt của các vật thể rắn dùng làm giá bám cho chúng.

2.2.2.2 Sự hình thành màng sinh học

Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình hình thành các màng sinh học trên bề mặt các giá thể như sau:

Quá trình hình thành các màng sinh học trên bề mặt các giá thể tương tự như quá trình hình thành các màng sinh học trong tự nhiên. Sau khi các giá thể bị các chất hữu cơ bám vào các vi khuẩn sẽ di chuyển đến và phát triển trên đó thành các khuẩn lạc, sau đó các dạng sống khác sẽ dần dần phát triển để tạo thành biofilm.

Để cho các vi khuẩn có thể hấp phụ lên bề mặt của giá thể cần phải có sự hình thành của các phức hệ chứa các polymer gọi là glycocalyx. Các chất polymer ngoại bào này giúp gắn kết các vi sinh vật tạo màng sinh học vào giá thể. Glycocalyx còn tạo nên bề mặt có nhiều hợp chất đa anion giúp cho việc tạo thành các phức kim loại.

O2 CO2

Hiếu khí Yếm khí

Giá thể

Màng sinh học

Chất nền và dưỡng chất trong nước thải

Di chuyển đến Kết dính Tạo khuẩn lạc Tạo màng

Hình 2.5. Màng sinh học phát triển trên giá bám (Nguồn: Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009)

sinh học

Các vi sinh vật trên màng sinh học sẽ phân huỷ các chất hữu cơ và tăng trưởng, việc tăng chiều dày của màng sinh học sẽ làm giới hạn việc khuếch tán của oxi hoà tan vào phía bên trong màng sinh học và tạo thành những khu vực yếm khí bên trong màng. Nếu màng quá dày, các vi sinh vật bên trong màng có thể bị thiếu chất nền và chúng sẽ chuyển qua giai đoạn phân huỷ nội bào, sau đó sẽ xảy ra hiện tượng bong tróc các màng sinh học; quá trình hình thành màng sinh học mới sẽ tái diễn nhưng phải cần một thời gian đủ dài.

2.2.2.3 Các loại giá bám thường được sử dụng

Hiện nay, nhiều công ty đã sản xuất nhiều loại giá bám để sử dụng kết hợp với bể bùn hoạt tính. Những loại vật liệu này có thể trôi lơ lửng hay được đặt cố định trong bể bùn hoạt tính.

Bảng 2.2. Ưu, nhược điểm của một số loại giá bám [14]

Loại giá bám

Loại cố định		Ưu điểm	Khuyết điểm
		• Lắp đặt đơn giản
		• Rẻ tiền
	Fabric Web-type	• Không cần bảo dưỡng	• Có thể bị nghẹt khi chất
	(AccuWeb)	• Đạt hiệu quả nhanh	lơ lửng nhiều
		• Không bị thất thoát khi
		vận hành
			• Vật liệu dễ hỏng và gây
		• Đạt hiệu quả nhanh	nghẽn
	Rope-type	• Không bị thất thoát khi	• Mua trọn bộ
		vận hành	• Có thể bị nghẹt khi chất
			lơ lửng nhiều
			• Trở ngại khi khuấy trộn
	PVC Sheet Media (Trickling Filter Media)	• Đạt hiệu quả nhanh • Không bị thất thoát khi vận hành	oxy • Có thể bị nghẹt khi chất lơ lửng nhiều • Dễ bị nghẹt do sinh khối
			của vi sinh vật
Loại lơ lửng		Ưu điểm	Khuyết điểm
	Polypropylene		• Thất thoát nguyên liệu
	Finned Cylinders	• Khuấy trộn hoàn chỉnh • Hạn chế được việc hoàn lưu bùn	do bào mòn • Có thể làm nghẹt lưới lược đầu ra • Khó duy trì điều kiện
	Sponges	• Khuấy trộn hoàn chỉnh • Hạn chế được việc hoàn lưu bùn
	Sponges		hiếu khí